INTRODUCTION ET CHOIX DU SUJET - Freebaptiste.nicolas.free.fr/dossier baptiste turbo/dossier... · Web viewINTRODUCTION ET CHOIX DU SUJET Dans le cadre de l’épreuve sur dossier

I) INTRODUCTION ET CHOIX DU SUJET

Dans le cadre de l’épreuve sur dossier visant à obtenir le Certificat d’Aptitude au Professorat en Lycée Professionnel, j’ai choisi le thème de la suralimentation par turbocompresseur à géométrie variable.

La part des immatriculations des véhicules Diesel s’élève aujourd'hui à environ 70%. Les normes antipollution ont conduit les motoristes à développer des systèmes d’injection directe haute pression à rampes communes (Hdi, Dci, TdCi, TDI, D-4D,…). Ces systèmes sont équipés pour des raisons à la fois d’agrément de conduite, de réduction des rejets polluants et de marketing de turbocompresseur à géométrie variable.

Ce système est ainsi très fréquent sur les véhicules actuels, il mérite donc d’être approfondi. Par ailleurs, il nécessite également des explications claires au niveau des élèves, lesquels y seront forcément confrontés lorsqu’ils intégreront les réseaux de maintenance après-vente à la fin de leur cursus scolaire.

NICOLAS Baptiste Session 2007CAPLP Génie mécanique La suralimentation par turbocompresseur ~ 1 ~

II) PRÉSENTATION ET MISE EN SITUATION DU SYSTÈME:


Echangeur

Turbocompresseur

Arrivée d'air filtré à pression atmosphérique

Collecteur d'échappementCollecteur

d'admission

Arrivée d'air filtré à pression atmosphérique

Collecteur d'échappement

Vers collecteur d'admission (via

l'échangeur)

Vers atmosphère (via ligne

d'échappement)

Le turbocompresseur est un élément attenant au moteur, il s'intercale d'une part entre le filtre à air et le collecteur d'admission et d'autre part entre le collecteur d'échappement et la ligne

De principe assez simple la suralimentation par turbocompresseur consiste à récupérer de l'énergie contenue dans les gaz d'échappement pour faire tourner un élément de pompage qui puisera l'air dans l'atmosphère pour alimenter le moteur sous pression.

Constitution d'un turbocompresseur

On distingue 3 grandes parties dans un turbocompresseur:

La turbine et son carter recevant les gaz d'échappement participent à transformer leur énergie en énergie mécanique.

L'axe et le palier central transmettent l'énergie mécanique et créent un barrage thermique entre l'ensemble carter /turbine et l'ensemble carter/ roue du compresseur.

La roue du compresseur et son carter augmentent le débit massique d'air à l'admission.

Schéma normalisé


Waste gate à commande pneumatique

Moteur thermique

Filtre à air

Compresseur centrifuge

Echangeur

Turbine

Turbine

Carter de turbine

Palier central

Axe

Carter de compresseur

Roue de compresseur

http://www.auto-innovations.com/site/dossier28a/Turbo28vhprint.html

Augmenter la puissance du moteur sans augmenter

sa cylindrée.

Energie des gaz d'échappement

Pression desuralimentation

Demande de puissance

Puissance obtenue

III) ROLE DU SYSTEME

Tout d'abord mis en œuvre lors de la première guerre mondiale sur les avions afin de compenser la chute de pression due à l'altitude, le brevet déposé par Louis Renault est ensuite mis au service des véhicules de compétition en 1952 aux Etats-Unis. Les années 70 sont les prémices de la suralimentation par turbocompresseur au niveau commercial. Porsche participera grandement à la renommée du système. Vers les années 80, l'époque des GTI, le turbocompresseur est synonyme de puissance et de couple. Ensuite abandonné sur les motorisations essence pour des problèmes de pollution et de coût de fabrication, il prend de l'ampleur sur les motorisations Diesel. Avec l'arrivée des diesels à injection directe électronique au début des années 2000 le turbocompresseur est alors incontournable.Aujourd'hui le gain de puissance est utilisé pour réduire les cylindrées (downsizing), et par la même occasion les masses, ce qui favorise la diminution de consommation et la lutte contre la pollution.Ce phénomène de downsizing, en posant le dilemme couple à bas régime et puissance à haut régime, a conduit à développer de nouveaux procédés comme la géométrie variable.A moyen terme le turbocompresseur est amené à connaitre une profonde transformation en intégrant des assistances électriques.

1)Actigramme A-0 point de vue utilisateur de la suralimentation par turbocompresseur classique


Suralimentation par turbocompresseur

A-0

Augmenter le débit massique d’air puisé dans l’atmosphère de façon à augmenter le remplissage du moteur dès les faibles charges pour une puissance prélevée négligeable

W electriqueInfos capteurpédaleP° air

Air filtré à la masse volumique ρ1

Huile T1

Gaz d’échappement Air à ρ2> ρ1

Huile T2>T1

Gaz d’échappement

Suralimentation par turbocompresseur à géométrie variable.

A-0

W pneumatique

2) Actigramme A-0 point de vue utilisateur

3) Actigramme A-0 point de vue machine


Suralimentation par turbocompresseur à géométrie variable

Energie des gaz d'échappement

Pression desuralimentation

Augmenter la puissance du Augmenter la puissance du moteur sans temps de réponsemoteur sans temps de réponseexagéré dès les faibles chargesexagéré dès les faibles charges..

Demande de puissance

Puissance obtenue

Vitesse enfoncementpédale accélérateur

A-0

Débit huile

Chaleur

Fluide refroidisseur réchauffé

Air à T3<T2 et P3

Gaz d’échappement a pression atmosphérique

Ensemble carter/turbine à géométrie variable

Ensemble palier central et axe

Ensemble carter/compresseur centrifuge

Gaz d’échappement chauds et éjectés sous pression

Débit huile

Air filtré à T1 et P1

Echangeur A0

Poumon CalculateurElectrovanne

4) Actigramme A0 point de vue machine

FluideRefroidisseur


Fournir un RCOFournir un RCO en fonction desen fonction des paramètres.paramètres.

Signal électrique

Transformer l'énergieTransformer l'énergie des gaz en énergiedes gaz en énergie mécanique et fairemécanique et faire varier la géométrie devarier la géométrie de la turbine pourla turbine pour optimiser saoptimiser sa fréquence de rotationfréquence de rotation à tous les régimesà tous les régimes

Energie mécanique

Transmettre ETransmettre E méca et créer unméca et créer un barragebarrage

Augmenter leAugmenter le débit massiquedébit massique d’air àd’air à

Diminuer laDiminuer la température detempérature de l’air d’admission.l’air d’admission.

Energie mécanique

Energie mécanique

Qm à T2>T1

Informations α et α pédale accélérateur

Consignes initiales Qm air maximalE

T° moteur Pression et température d'air de suralimentatioE.

Adapter lesAdapter les caractéristiques decaractéristiques de E pneumatiqueE pneumatique

EnergiePneumatique

TransformerTransformer une énergieune énergie pneu. en unpneu. en un effort mécaeffort méca

IV) RELATION ENTRE DEBIT MASSIQUE ET PUISSANCE

Volume d’air admis dans un moteur : (en m3/cycle)

V=cylindrée

Masse d’air théoriquement admise dans un moteur : (en kg/cycle)

Mairth = V. ρρairair..

Masse d’air réellement admise : (en kg/cycle)

Mairr= V .ρair. ττr.r.

Masse de carburant injectée : ( en kg/cycle)

Mcarb=Mair. DosageDosage

Mcarb=Mair. Dosage stœchiométrique. RichesseDosage stœchiométrique. Richesse

Mcarb= τr. ρair. V. Dosage stœchiométrique. RichesseDosage stœchiométrique. Richesse

Débit de carburant : (en kg/s)

Qcarb= Mcarb. N/120N/120

Qcarb= τr. ρair. V. Dosage stœchiométrique. Richesse. N/120N/120

Puissance théorique : (en J/s ou W)

Pmotth= Qcarb. PCIPCIcarbcarb

Pmotth= τr. ρair. V. Dosage stœchiométrique. Richesse. N/120. PCIPCIcarbcarb

Puissance réelle : (en J/s ou W)

Pmotr=Pmotth. ηeff

Pmotr= τr. ρair. V. Dosage stœchiométrique. Richesse. N/120. PCIcarb. ηeffηeff P°air Or P.V=m.r.T et ρair=m/V on a donc ρair=

r. Tair P°airP°air

Pmotr= τr . V. Dosage stœchiométrique. Richesse. N/120. PCIcarb. ηηeffeff r. Tairr. Tair


Pour augmenter la puissance d’un moteur il faut donc :

Augmenter le taux de remplissage τr (AàC, soupapes, collecteurs,…)

Augmenter le régime moteur N. Cependant pour un moteur donné, les contraintes mécaniques risquent de réduire sa fiabilité.

Augmenter la richesse. On s’expose alors à des problèmes de pollution, de combustion et de destruction des catalyseurs.

Augmenter le PCI du carburant. On est limité par la qualité du carburant distribué dans le commerce.

Diminuer la température de l’air à l’admission Tair. L’unité utilisée étant le degré Kelvin pour gagner seulement 10% de puissance dans une ambiance à 293°K (20°C), il faut abaisser la température de 30 degrés.

Augmenter la pression de l’air d’admission P°air grâce à un compresseur.

V) LES COMPRESSEURS

1) Rapport de compression

Grandeur caractéristique permettant d'augmenter la puissance il détermine la pression de suralimentation.

Pression en sortie de compresseurΠ= Pression en entrée de compresseur

Ex: si Π=1,8 alors que le compresseur puise l'air dans l'atmosphère (1bar) cela signifie qu'en sortie de compresseur on aura 1,8 bar. On dit que la pression de suralimentation est de 0,8 bar.

2) Les différents types

Il existe plusieurs types de compresseur qui peuvent être entrainés par des courroies.

Les compresseurs à lobes (ROOTS) utilisés sur la dernière génération des Volkswagen Golf équipées du moteur 1.4l TSI


Phase 1: admission de l'air

Phase 2: fermeture de l'admissionPhase 3: compressionde l'air.

Phase 4: échappement de l'air vers moteur

Les compresseurs à vis montés actuellement sur des véhicules Mercedes sous la dénomination commerciale " KOMPRESSOR "

a, b, c, d Entrée d'air –Remplissage

e, f, compression

g Phases refoulement

Les compresseurs à spirales montés entre autres sur les Volkswagen G60 et G40 il y a quelques années.

Ces 3 types de compresseurs sont entrainés mécaniquement en absorbant de la puissance sur le vilebrequin. (Plusieurs kW à pleine puissance)

Il existe également des compresseurs centrifuges.

Sous l'effet centrifuge, du à la vitesse de rotation, l'air est chassé vers la périphérie de la roue, ce qui crée une aspiration en son centre.La roue de compresseur donne de l’énergie cinétique au fluide la traversant, en lui communiquant une vitesse de sortie élevée dépendant du taux de compression recherché.


3) Puissance nécessaire à la compression de l'air

La compression des gaz peut être considérée comme une compression adiabatique, car le débit de gaz est relativement important en regard des pertes thermiques.

Pc =Qm.Cp. ΔT

Soit Qm le débit massique d'air aspiré par le compresseur.Cp la chaleur massique à pression constante.ΔT la différence de température entre l'entrée T1 et la sortie T2 du compresseur

Les propriétés de cette transformation nous donnent la relation:

T1.p11-γ/γ =T2.p21-γ/γ

T1=T2.(p2/p1) 1-γ/γ

ΔT=T2- T2.(p2/p1) 1-γ/γ

ΔT =T2[1-.(p2/p1) 1-γ/γ]

On obtient donc la puissance absorbée par le compresseur en combinant ces 2 équations:

Pc=Qm.Cp. T2[1-.(p2/p1) 1-γ/γ]

4) courbe caractéristique débit-pression du compresseur centrifuge

Les motoristes fixent un taux de suralimentation Π. Pour répondre au cahier des charges en consommant le moins de puissance le compresseur doit travailler dans les zones les courbes d'iso rendement sont maximales.

Il doit donc disposer d'un débit d'air suffisant et d'une vitesse de rotation élevée maitrisée.

Notons qu'une augmentation de la vitesse de rotation du compresseur entraîne une augmentation du rapport de compression. La vitesse de rotation est limitée par la tenue mécanique de la roue du compresseur et des paliers.

5) Choix et adaptation du compresseur.


Le moteur, se trouvant en aval du compresseur, se comporte comme une pompe: il impose donc par ses caractéristiques de remplissage et par le niveau de performance attendu, ses besoins en air.

La première caractéristique importante pour le choix du compresseur est le débit dont il est capable. Le paramètre influant sur cette caractéristique est la dimension

extérieure de la roue. (50 mm pour un moteur de 2L)

La plage d’utilisation du compresseur est un autre paramètre important : on peut la caractériser comme étant le rapport entre la différence des débits, maximal (avant blocage) et minimal (avant pompage), ceci pour un rapport de pression donné.

VI) LA TURBINE CENTRIPETE

1) Principe de la turbine centripète

La turbine radiale centripète est universellement utilisée sur les moteurs de traction routière car ses dimensions sont bien adaptées aux débits de gaz considérés et aussi parce que son comportement est bien adapté aux pulsations de pression des circuits d’échappement.Une turbine est essentiellement composée d’une volute assurant la mise en vitesse et la distribution des gaz et d’une roue transformant l’énergie des gaz en énergie mécanique d’entraînement du compresseur.

2) Sa source d'énergie

Contrairement aux compresseurs entrainés mécaniquement, le turbocompresseur fonctionne avec de l'énergie "perdue".

En effet les gaz d'échappement contiennent une énergie importante, on y retrouve 30 à 40% de l'énergie fournie. Cette énergie peut donc faire tourner la turbine.

3) Notion d'énergie perdue

Attention à ne pas confondre énergie perdue et énergie gratuite. En effet sans turbocompresseur, l'énergie qui traverse la turbine serait inutile.

Or cette courbe montre que la pression en amont de la turbine d'échappement n'est jamais inférieure à 1,8bar alors que pour un moteur atmosphérique elle ne serait que de 1bar (pression atmosphérique). On parle donc de contre pression à l'échappement. Il faudra donc prélever plus d'énergie mécanique au vilebrequin pour évacuer les gaz d'échappement.


4) Energie récupérable dans les gaz d'échappement

Lorsque la soupape d'échappement s'ouvre les gaz d'échappement sont encore sous une pression de 3 à 3,5bars. La détente de ces gaz produit de l'énergie capable de faire tourner la turbine

5) Puissance développée par la turbine

La détente des gaz dans la turbine peut être considérée comme une détente adiabatique car le débit de gaz est relativement important en regard des pertes thermiques.

Pt =Qm.Cp. ΔT

Soit Qm le débit massique des gaz d'échappement traversant la turbine.Cp la chaleur massique à pression constante.dT la différence de température entre l'entrée T4 et la sortie T5 de la turbine

Les propriétés de cette transformation nous donnent la relation:

T4.p41-γ/γ =T5.p51-γ/γ

T4=T5.(p5/p4) 1-γ/γ

ΔT =T5- T5.(p5/p4) 1-γ/γ

ΔT =T5[1-(p5/p4) 1-γ/γ]

On obtient donc en combinant ces 2 équations:Pt=Qm.Cp. T5 [1-(p5/p4) 1-γ/γ]

Cependant, il faut tenir compte d'un rendement, car dans la réalité la transformation n'est pas adiabatique. La puissance de la turbine est alors définie par:

Pt=ηt.Qm.Cp. T5 [1-(p5/p4) 1-γ/γ]


Pour obtenir une puissance maximale de la turbine il faut donc: T5 la température en sortie de turbine maximale (minimiser les pertes

de chaleur lors du passage des gaz). P5 la pression en sortie de turbine minimale (pas de gène dans

l'évacuation des gaz dans la ligne d'échappement).

P4 la pression en entrée de turbine maximale.

γ le coefficient adiabatique élevé.

6) Rendement de la turbine

Le rendement isentropique de la turbine, défini ci-dessus, est le rapport entre la puissance délivrée par la détente des gaz dans la turbine et la puissance théorique obtenue lors de la détente réversible correspondante.En pratique, les fabricants de turbocompresseurs associent au rendement isentropique de la turbine les pertes d’énergie entre la turbine et le compresseur (pertes thermiques et frottements); et comparent la puissance délivrée par le compresseur à celle de la détente théorique isentropique de la turbine. Le rendement ainsi défini est souvent appelé rendement turbine et mécanique (tm) et est exprimé par la relation :

Pc théorique Qma. Cpa.( T2-T1)ηtm= = Pt réelle Qmg.Cpg. T5 [1-(p5/p4) (1-γ)/γ]

7) Effets pulsatoires

L’utilisation des températures et des pressions moyennes permet de calculer la puissance développée par la turbine. Cependant dans la réalité, l’écoulement des gaz subit des pulsations, des « bouffées » de gaz d’échappement lors de l’ouverture de la soupape d’échappement. On définit alors un coefficient de pulsation. ΦCe coefficient est d’autant plus important que la vitesse du moteur est faible et que le volume du collecteur d’échappement entre le moteur et la turbine est petit. Il n’est pas rare de trouver des coefficients de pulsations de l'ordre de 1.4 qui compensent un ηtm de 0.7.

Pt=ηtm.Φ.Qm.Cp. T5 [1-(p5/p4) 1-γ/γ]

VII) LE TURBOCOMPRESSEUR

1) principe


La puissance fournie par la turbine est égale à la puissance nécessaire à la compression.

Qma. Cpa. T2 [1-(p2/p1) 1-γ/γ]= Qmg.Cpg. T5 [1-(p5/p4) (1-γ)/γ]

Le débit fourni par le compresseur est proportionnel à sa vitesse se rotation, qui est elle-même définie par le débit de gaz d'échappement traversant la turbine.

Tant que les caractéristiques des gaz d'échappement ne sont pas suffisantes pour permettre au compresseur d'assurer les besoins en air du moteur, celui-ci fonctionnera en phase atmosphérique. Il passera en phase suralimentée lorsque les caractéristiques des gaz le permettront (température, pression et débit) et ceci après un délai (le temps de réponse).

Ex : le moteur tourne à 3000 tr/min en charge partielle (point A) puis le conducteur accélère à fond, immédiatement la pression passe au point B, car le moteur atmosphérique n'a pas de temps de réponse.


0,5

1,0

1,5

Temps de réponse

Temps (s)

Pression dans le collecteur d'admission (bar ou 105 Pa)

Le turbocompresseur est l'association d'une turbine centripète et d'un compresseur centrifuge, définis ci-dessus, grâce à un arbre au travers d'un palier central.L'énergie des gaz d'échappement est transformée par la turbine en énergie mécanique de rotation, qui est transmise par l'arbre au compresseur. Le compresseur transforme alors l'énergie mécanique en pression.

Pression de suralimentation souhaitée

Soupape fermée Soupape ouverte

Suralimentation non contrôlée

Régime d'accrochage

Pression de suralimentation

Régime de rotation

Avec un délai, la pression passe au point C: c'est le temps qu'il faut pour atteindre le régime fournissant la pression de suralimentation.

Le temps de réponse est donc lié au régime du turbo, il faut donc le faire tourner vite avec un minimum de débit de gaz brûlés. Il faut favoriser la montée en régime du turbo (inertie minime, masses réduites, frottement faible)

Pour avoir une inertie réduite, il faudrait utiliser une petite turbine. Cependant avec l'augmentation du débit des gaz la puissance de la turbine augmentera et donc sa vitesse également. On risque alors des problèmes de survitesse: rupture mécanique du système.A contrario une grosse turbine, n'atteindra pas de survitesse, mais atteindra difficilement le régime d'accrochage.

2) Limitation de pression

On voit que l'on obtient la pression de suralimentation voulue pour un régime de turbine égal à environ la moitié du régime maxi et que le compresseur voit son débit augmenter (et donc la pression de suralimentation) avec le régime. Ainsi passé le régime du turbocompresseur correspondant au régime d'accrochage, la pression dépassera celle voulue.On va donc devoir limiter cette pression de suralimentation.

Pour y parvenir on va stabiliser la quantité de gaz brûlés sollicitant la turbine: on va stabiliser le régime du turbo.

On utilise une soupape qui dévie des gaz brûlés c'est la Waste-gate


Quand la pression dans le collecteur d'admission est suffisamment importante, elle permet d'obtenir une force supérieure à celle du ressort qui maintient la soupape fermée.

F ressort< Ptub x Surface

Seule une partie des gaz brûlés passe par la turbine, l'autre partie est directement conduite vers la ligne d'échappement.

En général cette soupape de sécurité est intégrée au carter de la turbine.

3) Commande de Waste-gate

On retrouve ceci fréquemment près des turbos des voitures de tourisme. C'est la commande de Waste gate, quand cette dernière est intégrée au carter de turbine.La tige 1 est reliée à la Waste-gate et l'orifice 2 à une pression (ou dépression)

• La commande est de la waste-gate est régie par la pression régnant dans la tubulure d'admission.

Comme précédemment la commande peut se faire pneumatiquement, mais il existe un autre type de commande: c'est la commande électro-pneumatique.

En effet un capteur de pression, situé dans la tubulure d'admission, informe le calculateur de la pression de suralimentation. Dès que la pression désirée est atteinte, le calculateur commande une électro-vanne qui, par une dépression, modifiera la commande de Waste-gate.

Ce système présente l'avantage de pouvoir moduler la pression de turbo en fonction de paramètres variés:


2211

65 cv

• Accélération pédale (lors d'un appui rapide sur la pédale pour un dépassement par exemple on bénéficie d'un over-boost de quelques secondes qui correspond à une pression de suralimentation supérieure)

• Température moteur: tant que le moteur est froid on ne permet pas une importante suralimentation. Voiture sportive haut de gamme

4) Inconvénients du système Waste-gate

En déviant une partie du débit des gaz d'échappement, on ne profite que partiellement de l'énergie des gaz. Il conviendrait d'avoir une petite turbine, pour répondre rapidement aux demandes de puissance du conducteur, et de disposer d'une seconde turbine qui conviendrait pour les débits de gaz plus importants.L'association de deux turbines sur le même arbre ne ferait qu'augmenter l'inertie du système. L'idée est donc de proposer une turbine dont la géométrie est variable.

VIII) LE TURBOCOMPRESSEUR A GEOMETRIE VARIABLE

1) Avantages

Pour exposer l'avantage des 2 types de turbocompresseur, nous pouvons comparer les courbes de puissance du même moteur (K9K 1,5l Dci) équipé dans un cas d'un turbocompresseur à géométrie fixe et dans l'autre d'un turbocompresseur à géométrie variable.

Couple maximum augmenté de l'ordre de 40%.

Notons toutefois que les valeurs maximales de couple et de puissance de ces 2 moteurs ne sont pas seulement dues au turbocompresseur à géométrie variable, le moteur est également équipé d'un refroidisseur d'air d'admission (cf. paragraphe IX)

Courbe de couple présentant une phase stabilisée sur une grande plage de régime moteur. (environ 1000tr/min)

La puissance du moteur (définie par la relation Pmot= Couple x fréquence de rotation du moteur) est alors directement proportionnelle au régime de rotation. L'agrément de conduite du véhicule est alors augmenté.


2) Réalisation de la géométrie variable

Le système le plus répandu est celui réalisé par des ailettes dont la position est orientable.

A bas régime, le débit massique des gaz d'échappement est insuffisant pour atteindre le régime d'accrochage. Les ailettes sont en position fermée, la pression des gaz d'échappement augmente dans le carter de turbine. La puissance développée par la turbine est alors plus importante, le régime de rotation du compresseur est augmenté ce qui lui permet de fournir le débit massique d'air attendu dès les bas régimes.

A régime élevé, le débit massique étant suffisant pour fournir la puissance nécessaire au régime du turbo, les ailettes sont en position ouverte, la pression en amont de la turbine diminue, ce qui limite la vitesse de rotation du compresseur.

A régime intermédiaire, les ailettes prennent des positions intermédiaires qui permettent de faire fonctionner le turbo le au régime de rotation permettant la pression de suralimentation souhaitée.

En plus de permettre d'atteindre le régime d'accrochage rapidement, la géométrie variable permet, comme le faisait la waste-gate, de réguler le régime de rotation du turbo.

3) Commande de la géométrie variable

Comme pour la waste gate l'actionneur est de type "poumon", qui transforme l'énergie pneumatique en énergie mécanique, commandé par une électrovanne dont l'ouverture est gérée par le calculateur de gestion moteur, via un signal RCO en fonction des informations provenant des capteurs (pression admission et position pédale essentiellement)

Le signal RCO permet d'obtenir une position moyenne du pointeau qui offre une section de passage variable.


C'est la variation de la pression au point 2 qui justifiera le déplacement de la tige de poumon et donc de la position des ailettes de géométrie variable.

Pour comprendre le lien entre la variation de section et la variation de pression, il faut utiliser le théorème de Bernoulli.

Considérons qu'il n'y a pas de perte au niveau du pointeau.

P1+ρgZ1+1/2ρv1² = P2+ρgZ2+1/2Ρv2²

Simplification: il n'y a pas de différence de hauteur entre les points 1 et 2 donc Z1=Z2

P1 + 1/2ρv1² = P2 + 1/2ρv2²

Le débit aux points 1 et 2 sont identiques: v1.S1 = v2.S2 donc v1=v2. S2/S1

P1 + 1/2ρ(v2.S2/S1)² = P2 + 1/2ρv2²

0= (P2-P1) +1/2ρ(v2²-(v2.S2/S1)²)

0= (P2-P1) +1/2ρv2²(1-(S2/S1)²)

P2= P1 - 1/2ρv2²((S2/S1)²-1)

S2/S1 est inférieur à 1 donc 1/2ρv2²((S2/S1)²-1) <0 on en conclut que P2<P1.

La pression est alors ajustée de telle sorte que en projection sur l'axe x:

Fressort=P2. S membrane + Patmo. S membraneK.x = (P2+Patmo). S membrane

La variation de la pression P2 devra être d'autant plus grande que le ressort est écrasé car la force exercée par le ressort augmente au fur et à mesure du déplacement.


Calculateur

Réserve de vide

2

1

x

Etude du signal de commande RCO

Le rapport cyclique à l'ouverture est exprimé en % de Dwell par la relation suivante:

Temps de commande (t)%RCO= x 100

Période (T)Ici il est de l'ordre de 33%

Ce pourcentage de Dwell permet de déterminer la tension moyenne d'alimentation de la bobine de l'électrovanne.

Umoy=%RCO x U

Ici Umoy est de 0,33xU=12x0,33=4V

A partir de cette tension moyenne on obtient l'intensité moyenne qui traverse la bobine. Elle permet d'appliquer un effort opposé à celui du ressort.

La résistance de la bobine est en moyenne d'environ 12Ω.Le courant moyen qui s'établit est donc de Umoy/12= 4/12= 0,33A

Effort exercé sur le noyau.

Le champ magnétique fourni par une bobine est du type φ=n.B.S où S est la surface d'une spire de la bobine et n le nombre de spires. B est l'induction définie par B=2Π.10 -7.i/d où d est le diamètre du fil.

L'effort F est proportionnel au champ magnétique F=B.i.l où l est la longueur de la bobine.

On en déduit que l'effort est directement proportionnel au l'intensité parcourant la bobine donc F=K.i²


U moy

B 5V

R3

R4R1

R2

A

4) Les capteurs

Pression admission

Ce capteur est de type passif, alimenté sous une tension stabilisée de 5V fournie par le calculateur; il utilise le principe de l'extensiométrie. Le corps d'épreuve est une membrane qui se déforme lorsqu'elle est soumise à la pression d'admission. Les jauges de contraintes sont réparties de chaque côté de la membrane, et convertissent la variation déformation en variation de résistance. (Une déformation d'un millième de millimètre engendre une variation de 0,7Ω)Les jauges de contraintes sont montées en pont de Wheaston, et de telle sorte que R1, R3 subissent la même déformation.

Le montage en pont de Wheaston est plus précis qu'un simple pont diviseur. Le signal Vs est ensuite amplifié avant d'être utilisé par le calculateur


Membrane déformée

R1 R3

R2 R4

R1 et R3 sont en compression, leurs résistances diminuent. R2 et R4 sont en extension, leurs résistances augmentent.

La symétrie du montage permet aux sommes R1+R3 et R2+R4 d'être constantes et égales.

Vs

R2UA=E x R1+R2

R3UB=E x R3+R4

or R1+R2=R3+R4=K

Vs=UA- UB=E x (R2-R3)/K

CALCULATEUR

Température air

Température moteur

Position pédale

Pression admission

W électrique

Signal de commande électrovanne

Le capteur position pédale

Le capteur position pédale d'accélérateur peut être à effet hall ou plus couramment par variation de résistances. Dans un boitier, deux potentiomètres sont reliés mécaniquement à la pédale, leurs résistances varient en fonction de l'enfoncement de la pédale, on utilise les tensions en sortie (Vs1 et Vs2) pour connaitre la position.Pour des raisons de sécurité le système est doublé (deux potentiomètres). Les résistances varient de façon opposée de telle sorte que la somme des 2 soit constante. Ainsi le calculateur peut détecter les erreurs ou défaillances.

La fonction Over-boost est réalisée lorsque le calculateur détecte un enfoncement rapide de l'accélérateur. Pour ce faire, il détermine un seuil à partir duquel il autorise une pression plus élevée pendant quelques instants.Il faut alors calculer ΔVs/dt qui représente la vitesse d'enfoncement de la pédale.


Vs1E

Vs2

IX) L’ECHANGEUR

1) Conséquence de la suralimentation

Dans un système donné, la loi des gaz parfaits impose à toute augmentation de pression une augmentation de la température. L’air traversant le compresseur voit donc sa température augmenter.De plus la proximité de la turbine fonctionnant à des températures élevées, contribue à l’augmentation de la température de l’air d’admission

2) Rôle de l’échangeur

Le rôle de l’échangeur est de diminuer θ2 la température de l’air de suralimentation. Comme la loi des gaz parfait donne : P.V=m.r.T

Alors P/r.T=m/V, la pression est fixée et r est une constante. Si T diminue alors le rapport P/r.T augmente ainsi m/V augmente également.Or V est constant car le système n’est pas déformable. C’est donc la masse m qui augmente.En diminuant la température d’air de suralimentation, on augmente la masse d’air traversant le système, cela participe au rôle du système : augmenter le débit massique de l’air d’admission.

3) L’implantation


L’échangeur est placé entre la sortie du compresseur et le collecteur d’admission du moteur.

Il est traversé d’une part par l’air de suralimentation et d’autre part par le fluide refroidisseur. Ce fluide peut être soit le liquide de refroidissement à sa sortie du radiateur, soit l’air extérieur. La seconde solution est la plus courante aujourd’hui.

4) Principe

L'écart de température entre l'air entrant et l'air sortant dépend de:• La surface d'échange• Flux refroidissant (nature, température, débit)

Echangeur air/air : refroidissement de 20° à 50°Ces échangeurs, situés généralement derrière la face avant, nécessitent un circuit d'air plus long : perte de charge de 5%

Les échangeurs air/eau permettent d'avoir une température en sortie plus régulière, mais moins diminuée.

Dans l'échangeur, au niveau des parois, il se passe 3 phénomènes de transmission de chaleur : de la convection entre l’air chaud de suralimentation et le métal puis la conduction dans l’épaisseur du métal et enfin de la convection entre le métal et le fluide refroidisseur.Cependant l’ensemble du transfert de chaleur peut se quantifier par :

Pc=k.S.(θ1 –θ2)

Pc : la puissance calorifique échangée en Wattsk: coefficient global de transmission S : surface d’échange de la paroi.θ1 : température du milieu chaud (air de suralimentation)θ2 : température du milieu froid (fluide refroidisseur)

k dépend essentiellement de l’épaisseur de la paroi et de la conductivité du matériau utilisé.k a pour valeur usuelle 70W/m².°C


Turbocompresseur sans la protection Turbocompresseur avec la protection

Tôle d'acier inoxydable de 0.2mm d'épaisseur

Tôle d'acier inoxydable de 0.2mm d'épaisseur

Laine de Quartz épaisseur 2.5mm

Laine de Quartz épaisseur 2.5mm

Laine de céramique épaisseur 7 mm

499°C

430°C

300°C231°C

Coté environnement moteur 230°C

Coté turbo 500°C

X) L A PROTECTION THERMIQUE

La concentration des gaz d'échappement, au niveau du carter de turbine, crée un point de chaleur dans le compartiment moteur. On a vu que cet élément devait rester chaud, mais il ne doit pas endommager son environnement. Pour ce faire, on utilise une protection thermique présentée ci-dessous.

La protection est composée de 5 couches de matériaux, et est soumise à un flux de chaleur Φ de l'ordre de 85 Watts.

Le flux de chaleur traverse toutes les couches, l'équation qui permet de déterminer les températures en sortie de chaque couche.

λ.SΦ = x (Tsortie - Tentrante) e


λ:le coefficient de conductivité thermique en W/m.°C.

S: la surface d'échange en m².

e: l'épaisseur de l'isolant.

XI) COUPE D'UN TURBOCOMPRESSEUR

1) La turbineCes éléments doivent résister aux hautes températures (900°C à 950°C)Le carter est en fonte Niresist (Fonte+20 à 30 % de nickel)La roue très sollicitée est obtenue à partir d'un alliage : Iconel(80% de nickel, 14 de chrome et 6 de fer)Elle est soudée par friction sur l'axe puis équilibrée par meulage.

2) CompresseurLe carter et la roue sont en alliage d'aluminium.La roue est bloquée sur l'axe par un écrou et équilibrée par meulage sur sa périphérie.


3) Le carter central• il doit porter l'axe qui tourne à très haute vitesse (de 60000tr/mn à 150000tr/mn)

L'axe est tenu par 2 paliers fluides. Ils sont constitués de 2 bagues recouvertes d'étain ou d'aluminium.Ces bagues sont percées de trous et maintenues dans le carter par 2 circlips chacune. Disposées entre le carter et l'axe elles possèdent un léger jeu radial (de 0.05mm à 0.10mm), ainsi un film d'huile s'interpose entre la bague le carter et l'axe.Il en résulte que les bagues tournent à 2/5 de la vitesse de l'axe.

• Servir d'écran thermique entre la turbine et la compresseur La cloche thermique est un premier écran contre la chaleur.C'est l'huile qui effectue l'évacuation de la chaleur dégagée par la turbine. L'huile est prélevée juste après le filtre à huile. Le débit d'huile sous pression est de 8 à 12 l/min).L'orifice de sortie d'huile est de section plus importante que celui d'arrivée car avec la chaleur l'huile a tendance à se cokéfier. (devient pâteuse)

• Assurer l'étanchéité entre l'huile et les circuits de gaz Coté turbine on trouve un segment en fonte.Coté compresseur on peut trouver un segment en fonte dont l'efficacité est renforcée par la pression d'air qui barrera la route à l'huileOn peut trouver également un joint à face carbone qui s'use peu et qui est très efficace mais qui augmente les frottements et donc la montée en régime du turbo.

• Servir de butée axiale La sortie des gaz hors de la turbine crée une poussée axiale sur l'axe. Pour absorber cette poussée on trouve dans le palier central une butée constituée d'un manchon d'acier solidaire de l'arbre qui s'appuie sur rondelle possédant un circuit graissage.

• Refroidissement supplémentaire Dans certains cas on trouve en plus une cavité dans le palier central permettant la circulation de liquide de refroidissement. Associé à une pompe à eau électrique cela évite que l'huile ne brûle au niveau du turbo encore très chaud après l'arrêt du moteur.C'est le petit bruit de moteur électrique que l'on peut entendre sur les R21 2L turbo par exemple.


XII) LA MAINTENANCE

1) Conseil pour le conducteur

Le graissage du turbocompresseur étant assurer par la pompe à huile du moteur, l'arrêt du moteur provoque une interruption du graissage.La vitesse de rotation élevée de l'ensemble mobile du turbocompresseur implique un délai avant l'arrêt complet de cet ensemble. Au cours de ce délai le graissage n'est plus assuré.

La sollicitation du turbocompresseur se traduit par une augmentation de la vitesse de rotation de l'ensemble mobile, l'arrêt de cet ensemble sera donc plus long après sollicitation du turbo.Il est fortement conseillé de laisser tourner le moteur quelques secondes au ralenti notamment après avoir sollicité le turbocompresseur.

2) Conseils pour le technicien

Le graissage est primordial pour la durée de vie du turbocompresseur.A la suite d'une intervention sur l'alimentation en huile du turbocompresseur il faut réamorcer le circuit de graissage:

Verser de l'huile dans les orifices de graissage Faire tourner le moteur sans le faire démarrer afin de faire débiter la pompe à huile

sans solliciter la turbine, en débranchant par exemple un des capteurs suivants: capteur régime et position moteur, référence cylindre ou pression de rail.

Sans cet amorçage les quelques secondes où le turbocompresseur ne serait pas alimenté pourrait lui être fatal.

Il convient à la suite du remplacement onéreux de cet élément, de déterminer les causes de la défaillance (mauvais graissage, survitesse) et d'y remédier.La défaillance peut aussi avoir des conséquences qui pourraient endommager un autre élément du groupe motopropulseur (huile ou corps métallique dans le circuit d'air).

Il conviendra de toujours prendre connaissance et de se conformer aux directives des documents constructeurs.


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