Après un peu de marché et de technologie, cette semaine Auto pour les nuls détaille l'un des composants les plus utilisés dans les moteurs à combustion interne modernes : le turbocompresseur. Pour les amis simplement "turbo", nous vous présentons cet incontournable composant suivant le style typiquement anglo-saxon du 5W (Who, What, When, Where, Why) adapté pour décrire ses particularités.
Qui a inventé le « turbo » ?
Le turbocompresseur est un composant mécanique né il y a plus de 100 ans par l'ingénieur suisse Alfred Büchi. Vivant au tournant des années 900, cet inventeur était fasciné par l'idée d'augmenter le rendement des moteurs à combustion, tout juste introduite dans les moteurs à vapeur et dans le sillage des grands succès automobiles de Ford de l'autre côté de l'océan.
Le brevet numéro 204630, reçu le 6 novembre 1905 par le Département allemand des brevets et des marques de l'époque, décrivait une "solution capable de capter la chaleur résiduelle de combustion grâce à un compresseur et une turbine axiale « connectée au mécanisme de production d'énergie. L'idée en elle-même était simple même si à l'époque les matériaux et les techniques nécessaires à l'application de cette technologie faisaient encore défaut.
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D'autres brevets ont suivi qui ont intégré l'idée du turbocompresseur dans les moteurs diesel nouvellement nés et pour des applications autres que le secteur automobile comme le naval, l'aéronautique et l'industrie. En 1930, cette technologie a commencé à être appliquée au monde de compétitions automobiles et depuis, le « turbo » a toujours été une référence pour étendre le potentiel des moteurs en exploitant au mieux l'énergie produite dans la chambre de combustion.
Pourquoi a-t-il réussi et quels en sont les avantages
Le principe de fonctionnement d'un moteur de voiture classique est relativement simple. Les liaisons chimiques du carburant peuvent être « rompues » par une réaction appelée combustion. Pour que ce processus ait lieu, il faut un carburant adapté (diesel, essence, gaz…) et une substance, appelée comburant, capable d'effectuer la transformation ; l'oxygène présent dans l'air nous convient parfaitement.
C'est ainsi que le moteur aspire de l'air frais de l'extérieur, le brûle dans des conditions contrôlées à l'intérieur de la chambre de combustion (le carter du piston) et produit un mélange explosif capable de déplacer tous les mécanismes présents. Il est facile de penser que quelque chose qui brûle produit de la chaleur et, dans le cas d'un moteur automobile à aspiration naturelle, je gaz résiduels très chauds ils sont directement rejetés dans l'atmosphère.
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Selon les bases de la physique, parmi toutes les premières lois de la thermodynamique, la chaleur est une forme d'énergie et en tant que tel, il peut être transformé par des solutions adaptées en travail mécanique. Si le mécanisme principal cylindre-piston est capable d'exploiter les hautes pressions pour fournir un couple aux roues, il n'en va pas de même pour récupérer l'énergie résiduelle sous forme de chaleur des gaz brûlés.
C'est là que le turbocompresseur entre en jeu et sa capacité à convertir la chaleur résiduelle dans les gaz d'échappement en une énergie mécanique supplémentaire capable d'aspirer et de "pousser" un quantité d'air supplémentaire frais à l'intérieur du moteur.
Comment se déroule la valorisation énergétique
Cela semblera magique, mais cette conversion particulière relève de la science et de la technologie. Les fumées chaudes expulsées du moteur atteignent des températures même plus de 700°C et c'est vraiment dommage de rater l'occasion de les utiliser. Une fois que les matériaux capables de résister à ces températures ont été découverts et rendus moins chers, l'étape de construction du turbocompresseur a été courte.
Avant d'être rejetés dans l'atmosphère, les gaz chauds traversent un turbine, dispositif capable de convertir l'énergie cinétique (vitesse) et l'enthalpie (température) du gaz en énergie mécanique capable de faire tourner l'hélice de la turbine. Cette roue n'est rien de plus qu'une petite roue spécialement conçue à l'intérieur d'un parchemin. Le mécanisme de turbine est directement relié à un autre composant, mécaniquement similaire, dit compresseur qui fonctionne exactement à l'opposé.
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Si la turbine transforme l'énergie des gaz chauds en "rotation", le compresseur transforme la "rotation" de la turbine en pression - d'où le terme compresseur - capable de aspirer de l'air de force externe. Plus d'air signifie plus de chances de brûler du carburant et donc plus de puissance. A cylindrée égale, la consommation augmente certes, mais cela est compensé par le fait que l'abondante énergie thermique qui n'est normalement pas utilisée s'échappe.
Où le turbo est utilisé
Aujourd'hui, nous entendons parler de nostalgie pour les nouveaux moteurs à aspiration turbo-diesel e turbo-essence; il existe des livres entiers, académiques ou non, qui traitent du sujet en comparant les avantages et les inconvénients des différentes solutions ; on se borne ici à « emporter » le discours.
Comme nous vous l'expliquions dans un récent article de Auto pour les nuls, le carburant diesel nécessaire pour alimenter un moteur diesel est moins précieux et raffiné qu'une essence. Ce n'est pas un hasard si le turbocompresseur a connu un succès incroyable dans le premier des deux moteurs : dans un diesel, en fait, le principal températures et pressions produits à l'intérieur de la chambre de combustion génèrent des gaz encore plus chauds à l'échappement. L'énergie qui peut être obtenue est certainement plus importante et, une fois l'argent dépensé pour fabriquer les matériaux robustes avec lesquels un diesel est construit, l'étape pour coupler le tout à un turbocompresseur est courte.
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Au cours du 900e siècle, cependant, les solutions les plus variées ont été trouvées pour rendre ce système compétitif et efficace. Les moteurs turbo-essence modernes fonctionnent parfaitement et des variantes telles que la suralimentation directe plus "américaine" - sans l'aide du turbocompresseur - donnent toujours une grande satisfaction en termes de puissance au détriment de la consommation et des polluants.
Quand l'ère de la suralimentation prendra fin
La suralimentation d'un moteur à combustion interne n'était que l'une des premières solutions pour augmenter l'efficacité des groupes motopropulseurs. Aujourd'hui, nous pouvons trouver les plus variés systèmes de récupération d'énergie: de la chaleur dégagée lors du freinage au ressort de la suspension.
Après le développement des moteurs entièrement électriques, le marché s'oriente sans cesse vers des solutions intermédiaires comme l'hybride et si d'un côté les puristes de la combustion s'orientent vers un moteur capable de combiner les avantages du diesel et de l'essence, les plus ambitieux trouveront certainement systèmes intéressants tels que moteurs de faible cylindrée combinés à des moteurs de suralimentation et électriques convenablement soutenus par des systèmes de recharge de batteries innovants.
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Un avenir incertain à découvrir mais qui, grâce à l'ingéniosité de grands techniciens et ingénieurs, sera certainement plus vert et, espérons-le, passionnant pour tous les amoureux du monde des moteurs. Dans le prochain article d'Auto for Dummies, nous traiterons des compétitions automobiles les plus importantes et historiques : des premiers championnats de formule 1à rallier jusqu'aux nouveaux concours sélectifs de Formule E.
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