Turbo Systems 101 (Basic)

Comment fonctionne un système turbo ?
La puissance moteur est proportionnelle à la quantité d’air et de carburant qui peut entrer dans les cylindres. Toutes choses égales par ailleurs, les gros moteurs aspirent plus d’air et par conséquent produiront plus de puissance. Si nous voulons que notre petit moteur marche comme un gros moteur, ou simplement faire que notre gros moteur produise plus de puissance, notre objectif suprême est d’entraîner plus d’air dans le cylindre. En installant un turbocompresseur Garrett, la puissance et la performance d’un moteur peuvent être radicalement augmentées.

Donc, comment un turbocompresseur fait-il entrer plus d’air dans le moteur ? Regardons d’abord le schéma ci-dessous :

1 Entrée du compresseur
2 Sortie du compresseur
3 Echangeur air-air
4 Soupape d’admission
5 Soupape d’échappement
6 Entrée de la turbine
7 Sortie de la turbine

Les composants qui composent un système turbo sont généralement :

• Le filtre à air (non représenté) à travers duquel l’air ambiant passe avant d’entrer dans le compresseur (1)

• L’air est ensuite compressé ce qui augmente la densité de l’air (kg/m3) (2)

• Beaucoup de moteurs turbo ont un échangeur air-air (intercooler) (3) qui refroidit l’air compressé pour accroître encore sa densité et augmenter sa résistance à la détonation.

• Après son passage par le collecteur d’admission (4), l’air entre dans les cylindres qui contiennent un volume fixe. Puisque l’air a une densité élevée, chaque cylindre peut aspirer un débit massique d’air plus important. Un débit massique d’air plus grand autorise un débit d’essence plus grand (avec un ratio air/essence (AFR) similaire). Brûler plus de carburant aboutit à plus de puissance produite pour une taille donnée ou une cylindrée.

• Après que le carburant ait brûlé dans le cylindre, il est expulsé pendant le temps échappement du cylindre dans le collecteur d’échappement (5).

• Le gaz à haute température continue sa course vers la turbine (6). La turbine crée de la contre-pression, ce qui signifie que la pression d’échappement est supérieure à la pression atmosphérique.

• Une baisse de pression et de température arrive (détente) à travers la turbine qui exploite l’énergie des gaz d’échappement pour fournir la puissance nécessaire pour entraîner le compresseur.

Quels sont les composants d’un turbo ?

La disposition du turbo dans une application donnée est spécifique à chaque système. La tuyauterie d’admission et d’échappement est souvent guidée en premier lieu par des contraintes d’encombrement. Nous explorerons les collecteurs d'échappement plus en détail dans les tutoriaux suivants; cependant, il est important de comprendre le besoin d'une Dump Valve sur le conduit d’admission et d’une Wastegate pour le flux d'échappement.

Autres composants

La Dump Valve
La Dump Valve (DV) est un dispositif de soulagement de pression sur le conduit d’admission pour empêcher le compresseur du turbo d'entrer à la montée. La DV devrait être installée entre la sortie de compresseur et le papillon des gaz, de préférence en aval de l’échangeur (si équipé). Quand le papillon  est fermé rapidement, le flux d'air est rapidement réduit, causant une instabilité du flux et des fluctuations de pression. Ces fluctuations de pression cycliques et rapides sont la preuve audible de montée. La montée peut finalement mener à la casse des butées de roulement en raison des hautes charges associées.
Les Dump Valves utilisent une combinaison du signal de pression collecteur et de la raideur d’un ressort pour détecter quand le papillon est fermé. Quand le papillon  est fermé rapidement, la Dump Valve évacue la surpression du conduit d’admission vers l’atmosphère pour soulager la pression ; aidant ainsi à éliminer le phénomène de surge.

La Wastegate
Du côté de l’échappement, une Wastegate nous fournit le moyen de contrôler la pression de boost du moteur. Quelques applications diesel n'utilisent pas du tout de Wastegate. Ce type de système est appelé un turbo « free-floating ».

Cependant, la grande majorité des applications essence performantes exige une Wastegate. Il existe deux (2) configurations de Wastegate, interne ou externe. Les deux fournissent le moyen de dévier le flux d'échappement de la turbine.
Dévier cette énergie (par exemple le flux d'échappement) réduit la puissance entraînant la turbine pour correspondre à la puissance exigée pour un niveau de boost donné. Comme la DV, la Wastegate utilise la pression de boost et la raideur d’un ressort pour régler le flux contournant la turbine.

Les Wastegate Interne sont construites dans le carter de la turbine et se compose d’un clapet, d’un bras coudé, fini d’une tige et d’un actionneur pneumatique. Il est important de connecter cet actionneur seulement pour augmenter la pression; c'est-à-dire qu’il n'est pas conçu pour traiter le vide et en tant que tel ne devrait pas prendre pour référence un collecteur d’admission.

Les Wastegate Externe sont ajoutés à la tuyauterie d’échappement sur le collecteur d'échappement. L'avantage de la Wastegate externe est que le flux contourné peut être réintroduit dans le conduit d'échappement plus loin en aval de la turbine. Cela a tendance à améliorer la performance de la turbine. Sur des applications de course, ce flux d'échappement passant par la Wastegate  peut être évacué directement à l'atmosphère.

Tuyauteries d’huile et d’eau

Les tuyauteries d’admission et d’échappement retiennent souvent toute l’attention négligeant ainsi les tuyauteries d’huile et d’eau.

Les turbos à roulements à billes Garrett exigent moins d’huile que les turbos à paliers. Nous recommandons donc une restriction d’entrée d’huile si vous avez une pression d’huile supérieure à 60 PSI. La sortie d’huile devrait être raccordée au carter d’huile au dessus de niveau d’huile (pour les systèmes à carter humide).
Puisque l'évacuation de l’huile est alimentée par la gravité, il est important que la sortie d’huile soit vers en bas et que le tuyau d'évacuation ne devienne ni horizontal ni "en montée" à n'importe quel point.

Après un arrêt à chaud d'un turbo, le bain de chaleur commence. Cela signifie que la chaleur dans le collecteur d'échappement, et le carter de turbine se diffuse jusqu’au carter central du turbo, augmentant sa température. Ces températures extrêmes dans le carter central peuvent aboutir à la cokéfaction de l’huile.

Pour minimiser les répercussions du bain de chaleur, les carters centraux refroidis par eau ont été introduits. Ils utilisent le liquide de refroidissement du moteur comme dissipateur de chaleur après l'arrêt de moteur, empêchant l'huile de se cokéfier. Les conduites d’eau utilisent un « effet siphon thermique » pour réduire les répercussions du pic de température du bain de chaleur après la coupure clé. La disposition des pipes devrait minimiser les sommets et les creux avec l'admission d'eau (fraîche) par le bas. Pour aider, il est avantageux d'incliner le turbocompresseur d’environ 25 ° autour de l'axe de rotation.

Beaucoup de turbos Garrett sont à refroidissement par eau pour accroître leur durée de vie.

Quel turbo est bon pour moi ou plus affectueusement connu sous Mon turbo et moi

La sélection du turbo approprié pour votre application spécifique exige beaucoup d’entrées. Avec les décennies d'expérience du turbo collectées, les Distributeurs de Garrett Performance peuvent vous aider dans la sélection du bon  turbo pour votre application.

La première entrée dans la détermination du turbo approprié est d’avoir une cible de puissance en tête. Elle devrait être aussi réaliste que possible pour l'application. Souvenez-vous que la puissance d’un moteur est généralement proportionnelle aux débits d’air et de carburant. Ainsi, une fois que vous avez un niveau de puissance cible identifié, vous commencez à aiguiser la taille du turbo, qui dépend fortement des besoins en air.

D'autres facteurs importants incluent le type d’application. Une voiture de rallye-cross, par exemple, exige un temps de réponse rapide. Un turbo plus petit ou un carter de turbine plus petit seraient les plus appropriés pour cette application. Tandis que cela tirera la quintessence de la puissance grâce à une contre-pression échappement augmentée aux régimes moteur élevés, le temps de réponde d’un petit turbo sera excellente.

Ou bien, sur une voiture dédiée au circuit, la puissance maximale est une plus grande priorité que le couple à bas régime. De plus, les régimes moteur ont tendance à être plus élevés. Ici, un plus grand turbo ou carter de turbine fourniront une contre-pression réduite, mais un temps de réponde plus long à bas régime. C'est une différence bienvenue compte tenu des conditions de fonctionnement différentes auxquelles ces applications sont destinées.

La sélection du turbo pour votre application va au-delà de « combien de boost » vous voulez prendre. La définition de votre niveau de puissance cible et de l’utilisation principale de l’application sont les premières étapes qui habilitent votre Distributeur Garrett Performance à choisir le bon turbo pour vous.

Paliers vs. Roulements à billes

Le palier a longtemps été les muscles du turbo, cependant une cartouche de roulement à billes est maintenant un avancement technologique accessible qui fournit des améliorations de performance significatives au turbo.

L'innovation de roulement à billes a commencé suite au travail du groupe Garrett Motorsports pour plusieurs séries de course où il a reçu le terme « roulement à bille en cartouche». La cartouche est un système d’un seul manche qui contient un jeu de roulement à billes à contact angulaire à chaque extrémité, tandis que le système de roulement traditionnel contient un jeu de paliers et une butée de roulement.

Réponse du Turbo - En conduisant un véhicule avec le turbo à roulement à billes en cartouche, vous trouverez la réponse de l’accélérateur exceptionnellement fraîche et forte. Les turbos Garrett à roulement à billes accélèrent 15 % plus rapidement que les paliers traditionnels. Cela produit une réponse améliorée qui peut être convertie un 0-100 km/h plus rapide. En fait, quelques pilotes professionnels de moteur à turbo Garrett à roulement à billes annoncent qu'ils ont l’impression de conduire un gros moteur atmosphérique.

Les essais menés sur des turbos de CART ont montré que les roulements à billes consomment jusqu'à moitié moins de puissance que les roulements traditionnels. Le résultat est un temps de réponse plus rapide qui se traduit dans un meilleur agrément et une meilleure accélération.

La performance du moteur est aussi meilleure en stabilisé pour le turbo Garrett à roulement à billes en cartouche.

Débit d’huile réduit - La conception du roulement à billes réduit la quantité d'huile exigée pour fournir la lubrification adéquate. Ce volume d’huile réduit la chance d’une fuite de joint.
Aussi, le roulement à billes est plus tolérant des conditions de lubrifiant marginales et diminue la possibilité de casse du turbo à l'arrêt du moteur.

Dynamique de rotation et durée de vie augmentées - La cartouche de roulement à billes donne un meilleur amortissement et un meilleur contrôle du mouvement de l’axe, permettant une fiabilité augmentée pour des conditions de conduite tant quotidiennes qu'extrêmes. De plus, le contact angulaire opposé portant la cartouche élimine le besoin d’une butée de roulement qui est généralement une liaison faible dans le système de roulement de turbo.

Options de roulement à billes de concurrent - Une autre option que l'on trouvera est un roulement à billes hybride. Cela consiste en remplacer seulement le palier du côté du compresseur avec un roulement à billes de contact angulaire simple. Puisque le roulement simple peut seulement prendre la poussée dans une direction, une butée de roulement est toujours nécessaire et le palier du côté de la turbine est inchangé. Avec la cartouche à roulement à billes Garrett le groupe rotor est entièrement soutenu par le roulement à billes, maximisant le rendement, la performance et la durée de vie.

Le roulement à billes en équipement d’origine – Le battement de cœur de la MAZDASPEED Protegé est gonflé par un turbo Garrett T25. Avec la technologie Garrett à bord, le véhicule gagne en accélération sans sacrifier le rendement global et il a reçu beaucoup de critiques dithyrambiques de la part de la grande presse automobile mondiale pour sa performance sans précédent.