Un turbocompresseur récupère l’énergie des gaz d’échappement pour comprimer l’air envoyé dans le moteur : plus d’air dans les cylindres, c’est plus de carburant brûlé et donc plus de puissance, sans augmenter la cylindrée. Longtemps réservé aux voitures sportives et aux poids lourds, le turbo équipe aujourd’hui la quasi-totalité des moteurs diesel et une large majorité des moteurs essence récents.
Quel est le rôle principal d’un turbocompresseur sur un moteur thermique ?
Le turbo sert à faire entrer davantage d’air dans les cylindres qu’un moteur ne pourrait en aspirer seul. Un moteur dit « atmosphérique » ne compte que sur la dépression créée par la descente des pistons : il ne remplit jamais parfaitement ses cylindres. Le turbocompresseur force ce remplissage, on parle de suralimentation.
L’optimisation du rendement et de la puissance par l’augmentation de la quantité d’air admis
La puissance d’un moteur dépend directement de la quantité de carburant qu’il peut brûler à chaque cycle. Or ce carburant a besoin d’oxygène : sur un moteur essence, il faut environ 14,7 grammes d’air pour brûler 1 gramme d’essence. Si l’on veut injecter plus de carburant, il faut donc d’abord apporter plus d’air.
En comprimant l’air, le turbo augmente sa densité. Une pression de suralimentation de 1 bar (au-dessus de la pression atmosphérique) fait entrer, en théorie, presque deux fois plus d’air dans le même volume de cylindre. Le moteur peut alors injecter davantage de carburant et gagner 30 à 50 % de puissance, parfois plus, à cylindrée égale.
Le gain porte aussi sur le rendement. Un moteur atmosphérique rejette par l’échappement une énergie considérable sous forme de gaz chauds et sous pression. Le turbo en récupère une partie pour la remettre au service de l’admission. Le couple est également disponible plus tôt et plus longtemps, ce qui rend le moteur plus souple à conduire.
La réduction de la cylindrée des moteurs au profit de la suralimentation pour diminuer les émissions
Ce gain de puissance a ouvert la voie au downsizing : remplacer un gros moteur atmosphérique par un moteur plus petit suralimenté, aux performances équivalentes. Un trois-cylindres de 1,0 litre turbo peut ainsi remplacer un quatre-cylindres de 1,6 litre atmosphérique.
Un moteur plus petit est plus léger, subit moins de frottements internes et perd moins d’énergie par pompage lorsqu’il tourne à faible charge, ce qui est le cas la majeure partie du temps en usage quotidien. Résultat : une consommation et des émissions de CO2 réduites, ce qui a permis aux constructeurs de répondre aux normes européennes de plus en plus strictes.
Le bénéfice dépend toutefois de l’usage. En conduite très sollicitée, un petit moteur turbo travaille souvent à pleine charge et peut consommer autant, voire plus, qu’un moteur plus gros. C’est pourquoi certains constructeurs sont revenus depuis à des cylindrées un peu plus élevées (rightsizing).
De quels éléments est composé un turbo et comment fonctionnent-ils ensemble ?
Un turbocompresseur réunit deux roues à aubes montées sur un même arbre, logées chacune dans un carter en forme d’escargot, plus un dispositif de régulation de la pression. Le tout tient dans le creux de la main sur une citadine.
Le couple turbine-compresseur relié par un axe commun tournant à très haute vitesse
Le cœur du turbo se compose de trois pièces solidaires :
- La turbine, placée côté échappement, dans un carter en fonte ou en acier réfractaire. Elle est frappée par des gaz qui peuvent dépasser 900 °C sur un moteur diesel et 1 000 °C sur un moteur essence.
- Le compresseur, placé côté admission, dans un carter en aluminium. Sa roue aspire l’air frais en son centre et le projette vers l’extérieur sous l’effet de la force centrifuge, ce qui le comprime.
- L’arbre commun, qui relie les deux roues. Quand la turbine tourne, le compresseur tourne exactement à la même vitesse.
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Cet ensemble tourne extrêmement vite : de 100 000 à plus de 250 000 tours par minute selon la taille du turbo. L’arbre repose sur des paliers lubrifiés en permanence par l’huile du moteur, et parfois refroidis par le liquide de refroidissement. C’est pourquoi on conseille de laisser tourner le moteur au ralenti quelques secondes après un effort soutenu : couper le contact trop vite prive le turbo encore brûlant de sa lubrification.
La soupape de décharge et le système à géométrie variable pour réguler la pression de suralimentation
Sans régulation, plus le moteur accélère, plus les gaz font tourner la turbine vite, et plus la pression grimpe, jusqu’à endommager le moteur. Deux solutions permettent de la contrôler.
La soupape de décharge (wastegate) est un clapet placé à l’entrée de la turbine. Lorsque la pression d’admission atteint la valeur voulue, elle s’ouvre et laisse une partie des gaz d’échappement contourner la turbine. Celle-ci ralentit, et la pression se stabilise. Elle est commandée par une capsule pneumatique ou, sur les moteurs récents, par un actionneur électrique piloté par le calculateur. C’est la solution la plus répandue sur les moteurs essence.
Le turbo à géométrie variable (TGV, ou VGT en anglais) règle plutôt la façon dont les gaz frappent la turbine. Une couronne d’ailettes mobiles entoure la roue :
- à bas régime, les ailettes se referment, ce qui accélère le flux de gaz et fait monter le turbo en pression rapidement ;
- à haut régime, elles s’ouvrent pour laisser passer davantage de gaz sans survitesse.
Ce système réduit le fameux « temps de réponse » du turbo et offre du couple dès les bas régimes. Il équipe la plupart des diesels modernes. Sur l’essence, les gaz plus chauds le rendent plus coûteux, et il reste rare. Revers de la médaille : les ailettes peuvent se gripper sous l’effet de la calamine, surtout sur les véhicules qui roulent peu ou uniquement en ville.
Comment le turbo utilise-t-il les gaz d’échappement pour gaver les cylindres en air frais ?
Le turbo fonctionne en boucle : les gaz qui sortent du moteur font tourner la turbine, qui entraîne le compresseur, qui pousse de l’air frais dans le moteur, lequel produit à son tour plus de gaz. Le cycle complet suit six étapes :
- Le moteur expulse ses gaz brûlés dans le collecteur d’échappement.
- Les gaz traversent la turbine et la font tourner.
- L’arbre transmet cette rotation au compresseur.
- Le compresseur aspire l’air ambiant (après le filtre à air) et le comprime.
- L’air comprimé et réchauffé passe dans l’intercooler, qui le refroidit.
- L’air frais et dense entre dans les cylindres, où il permet de brûler plus de carburant.
L’entraînement de la turbine par la force des gaz expulsés du moteur
À la fin de chaque combustion, les gaz quittent le cylindre à haute température et sous forte pression. Sur un moteur sans turbo, cette énergie part directement dans le pot d’échappement. Le turbo place sa turbine sur leur trajet.
Le carter de la turbine, en forme de colimaçon, se rétrécit progressivement pour accélérer les gaz et les diriger sur les aubes de la roue. Les gaz se détendent en traversant la roue et lui cèdent une partie de leur énergie de pression et de chaleur, puis ressortent par le centre vers la ligne d’échappement.
Cette dépendance aux gaz explique le « temps de réponse » (turbo lag). À bas régime, le moteur produit peu de gaz : la turbine tourne trop lentement pour comprimer efficacement l’air. Il faut que le régime monte pour que le débit de gaz lance le turbo, d’où la sensation de « coup de pied » sur les anciens moteurs turbo. Les turbos à géométrie variable, les turbos à double entrée (twin-scroll), les montages à deux turbos ou les turbos électriques assistés réduisent fortement ce délai.
La compression de l’air ambiant et son passage par l’intercooler pour abaisser sa température
De l’autre côté de l’arbre, la roue du compresseur aspire l’air à pression atmosphérique par son centre et le propulse vers sa périphérie à grande vitesse. Le carter en colimaçon ralentit ensuite cet air, ce qui transforme sa vitesse en pression. La pression de suralimentation atteint généralement 0,5 à 1,5 bar au-dessus de la pression ambiante sur une voiture de série, et davantage sur les moteurs sportifs.
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Comprimer un gaz le réchauffe : l’air peut sortir du compresseur à plus de 100 à 150 °C. C’est un problème, car un air chaud est moins dense, ce qui annule une partie du gain obtenu. Il augmente aussi le risque de cliquetis (combustion spontanée et anarchique) sur les moteurs essence.
D’où le rôle de l’intercooler, ou échangeur air-air, placé entre le compresseur et le collecteur d’admission. Il fonctionne comme un petit radiateur :
- dans la version air-air, la plus courante, il est placé à l’avant du véhicule et refroidi par l’air extérieur ;
- dans la version air-eau, il est refroidi par un circuit de liquide dédié, ce qui permet un montage plus compact et un circuit d’admission plus court.
L’intercooler peut abaisser la température de l’air de 50 à 100 °C. L’air arrive alors dans les cylindres à la fois comprimé et frais, donc très dense : c’est cette densité qui permet au moteur de brûler plus de carburant à chaque cycle, et donc de produire plus de puissance.