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Utilisation rationnelle de l’énergie dans les moteurs. 5ème cycle de conférences Mars 2004

Techniques avancées de suralimentation : le turboco mpresseur.

Pierre PODEVIN, Michel TOUSSAINT, Laurent PREVONDpodevin@cnam.fr, toussain@cnam.fr, prevond@cnam.fr

Conservatoire National des Arts et Métiers – Paris

INTRODUCTIONLes premiers essais de suralimentation d’un moteur sesont déroulés entre 1911 et 1914 chez Sulzer.. Laturbosuralimentation dans son principe peut être illustréeà l’aide de la figure 1. Les gaz de combustion, trèschauds, échappant d’un moteur contiennent beaucoupd’énergie. Ces gaz peuvent être utilisés et détendus dansune turbine (en général centripète dans les applicationsautomobiles) pour produire du travail, et entraîner uncompresseur calé sur le même arbre. L’air compriméproduit par le compresseur et admis dans les cylindres dumoteur augmente la masse d’air comburante ; on peutalors injecter plus de carburant et augmenter ainsi lapuissance du moteur turbosuralimenté.

Figure 1 – Turbocompresseur(Document KKK)

1 - COURBES CARACTERISTIQUES :Les courbes caractéristiques du compresseur et de la turbine sont déterminées sur un banc d'essai tel celuischématisé figure 2. Le rendement isentropique du compresseur est calculé par application du premierprincipe de la thermodynamique en supposant celui-ci adiabatique et parcouru par un gaz idéal parfait.Pour la turbine, il convient de considérer deux cas :- alimentation en gaz chaud : le rendement TMη est le produit du rendement mécanique par le rendementisentropique de la turbine qui est encore égale à la puissance du compresseur divisé par la puissanceisentropique de la turbine. La puissance du compresseur est déduite des mesures effectuées sur cettemachine. La puissance isentropique de la turbine est calculée à partir de la mesure de la température à sonentrée et du taux de détente :- alimentation en air comprimé froid : dans ce cas les échanges de température sont négligés et lerendement isentropique turbine est directement calculé.Lors des essais turbine, c'est le compresseur qui joue le rôle de frein. La puissance de celui-ci étantinférieure à celle de la turbine les champs sont limités. Au CNAM, les essais sont réalisés en alimentant lecompresseur en sens inverse par une source d'air comprimé afin d'accroître sa puissance de freinage cequi autorise un élargissement du champ turbine [1].

Débitcompresseur

Débitturbine

Diaphragme de mesure du débit turbine

Air comprimé Gaz chaud

Turbine

Centrale de lubrification

Vanne d'arrêt général

Diaphragme de mesure du débit compresseur

Compresseur

Turbine

Compresseur

Couplemètre

Thuile 20 à 120°C Phuile 0 à 4 bar

Figure 2 – Banc d'essai de turbocompresseur Figure 3 – Mesure de la puissance mécanique ducompresseur avec un couplemètre

Compresseur

Turbine

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1 – 2 Transposition des courbes caractéristiques co mpresseur au fonctionnement moteurLes variations de pressions, émises par le circuit d'admission du moteur, et constatées à l'aval ducompresseur sont faibles et l'écoulement peut être considéré comme stationnaire.Les échanges de chaleur sont relativement faibles aux forts régimes de rotation et l'hypothèse d'adiabaticitéest satisfaisante. Aux bas régimes, typiquement inférieur à 70000 tr/min, cette hypothèse n'est plusacceptable. Un couplemètre peut être alors utilisé pour mesurer la puissance fournie à l'arbre de la machine(voir figure 3). Ce couplemètre, capable d'une vitesse de rotation de 120000 tr/min, a été spécialement misau point dans le cadre d'une étude soutenue par PSA [2].

1 – 2 Transposition des courbes caractéristiques tu rbine au fonctionnement moteurLa température en entrée de turbine atteignant (800°C diesel 950°C essence), il est difficile de consi dérer laturbine adiabatique. Malgré tout, les variables réduites pour les écoulements adiabatique sont fréquemmentutilisées. Notre ancien collègue Marcel Frelin a établi les conditions de similitude pour une turbine nonadiabatique. Ces variables qui prennent en compte le travail polytropique, permettent une bonne corrélationentre les essais à chaud et à froid [3].Les oscillations de pressions avant turbine sont fortes, l’écoulement ne peut être considéré commestationnaire.La transposition sur moteur est donc délicate. De nombreux laboratoires, dont le LMP, ont travaillé outravaillent encore sur ce sujet. Aucune solution simple ne donne entièrement satisfaction.

2 – COUPLAGE MOTEUR-TURBOCOMPRESSEUR :Le temps de réponse du turbocompresseur est imputable à son inertie thermique, mécanique etaérodynamique. Le terme prépondérant est cette dernière, elle est due aux temps de mise en pression desconduits d'admission et du collecteur d'échappement. Le volume du collecteur doit donc être minimisé sanstoutefois pénaliser les performances du moteur en pleine charge. A titre d'exemple, il est présenté lesrésultats de performances en accélération obtenues en plaçant une capacité de 4 litres entre le collecteur etla turbine (figure 4).L'expérimentation montre que les performances pleine charge sont légèrement inférieures. Par contre lesperformances en accélération, figure 5, sont notablement dégradées, l'isolation thermique du collecteur etde la capacité étant sans influence[4].

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

0

500

1000

1500

2000

2500

3000

3500

Time (s)

Turboco

mpressor

Engine

Engine speed (rpm)Turbo. speed (Hz)

2 Capacity1 Original configuration

3 Capacity + insulation

1

2 & 3

1

23

Figure 4 – Implantation d'une capacitéde 4 litres sur moteur. Figure 5 – Accélération brutale en 3ème vitesse

Différentes solutions sont envisagées afin d'améliorer le couplage moteur turbocompresseur.

2 – 1 Solutions mécaniquesQuelques considérations tout d'abord sur le choix d'un turbocompresseur :-Un petit turbo, présentera un faible temps de réponse (inertie réduite), sera efficace dès les faibles régimesmoteur et nécessitera une régulation aux forts régimes moteur pour limiter la pression d'admission et éviterles surrégimes turbo.- Un grand turbo, sera efficace aux forts régimes moteurs sans avoir besoin d'une régulation, présentera untemps de réponse plus élevé (inertie plus importante), aura une action quasi nulle aux faibles régimesmoteurs.Pour s'adapter au mieux sur toute la plage de fonctionnement moteur, on voit qu'il y a : nécessité d'unerégulation du turbo (clapet ou soupape de by-pass), intérêt à utiliser une turbine à géométrie variable (la

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turbine pouvant se "transformer" de "petite" en "grande" turbine). On peut également envisager, bien quecela soit plus délicat, une "géométrie variable" du côté compresseur.

2-1-1 Turbine à Géométrie Variable (TGV) :Trois techniques sont actuellement proposées par les constructeurs.La première d'entre elles a été étudiée et mise au point au sein de notre laboratoire dès la fin des années70. Sur la figure 6 vous voyez la maquette en bois ayant servi à prouver la faisabilité de cette technique etle prototype de cette turbine (brevet Peugeot-CNAM). Cette turbine à géométrie variable, accouplée à uncompresseur du commerce a permis la suralimentation d'un moteur diesel de la gamme PSA sur toute saplage de fonctionnement, sans aucun système de régulation [5]. La troisième vue de cette figure 6 montreune application industrielle système VAT (Variable Area Turbine) développée par PSA et Garrett.

Figure 6 – TGV à volet mobile (documents CNAM et Garrett)La figure 7 illustre la seconde technique de géométrie variable turbine actuellement très utilisée dansl'automobile. Une couronne d'aubages distributeurs dont le calage est réglable permet de s'adapter aurégime du moteur, la position des aubages distributeurs s'adaptant au débit fourni par celui-ci. A fort régimemoteur, ces aubes distributrices laissent une section de passage importante aux gaz chauds, alors quel'inclinaison de ces aubes diminue cette même section de passage aux bas régimes. Pour les lecteursfamiliers avec la théorie des turbomachines, le triangle des vitesses à l'entrée de la roue de la turbine restea peu près adapté malgré le grand écart de débit turbine.

Figure 7 – TGV à aubes distributrices (documents Garrett et auto-innovations.com)

La troisième technique que nous nommerons "injection partielle" est illustrée par la figure 8.L'injection partielle est une technique de réglageutilisée dans les grosses turbines à vapeur. Dansles roues radiales de nos petites turbines desuralimentation, cette technique permet des'adapter au débit des gaz d'échappement dumoteur en n'injectant que sur une partie de lahauteur des aubages à l'entrée de la roue. A droite,l'injection est totale sur toute la largeur des aubes àl'entrée de la roue, et ne s'effectue que sur unepartie de leur largeur sur la vue de gauche. Comme Figure 8 – Injection partielle

(document Garrett et auto-innovations.com)

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pour la technique précédente, la turbine reste à peu près adaptée aux débits fournis par le moteur.

2-1-2 Géométrie Variable côté Compresseur (GVC) :Le compresseur rencontre à faible débit une zone de "pompage" fortement instationnaire et dangereuse.Son utilisation sur moteur peut l’amener vers ce régime susceptible de provoquer des instabilités defonctionnement de l’ensemble moteur + turbocompresseur. La prérotation, qui consiste à disposer desaubages devant la roue du compresseur pour donner au fluide avant l'entrée dans celle-ci un mouvementde giration, permet de jouer sur cette limite de pompage. Deux prérotateurs étudiés et réalisés dans notrelaboratoire sont présentés sur la figure 9 [6]. Le modèle à pale unique à également fait l'objet d'un dépôt debrevet Peugeot-CNAM. L’action de cette technique est illustrée par la figure 9.Les courbes caractéristiques de droite sont celles de l'ensemble "compresseur+prérotateur" avecprérotation nulle. Les courbes situées plus à gauche sont celles obtenues avec une prérotation importante àl'entrée de la roue. On voit immédiatement que la limite de pompage a reculé dans le second cas, ce quiétend d'autant la zone de fonctionnement possible pour le moteur.

Figure 9 – Géométrie variable compresseur

2 – 2 Solutions électriquesL’objet de ce chapitre est d’étudier les possibilités d’utiliser l’électricité afin d’atténuer, voire d’éliminer lesinconvénients inhérents aux turbocompresseurs, à savoir : le temps de réponse, la plage d’utilisation et lanécessité d’une régulation (clapet de décharge ou autre).Pour illustrer nos propos nous nous baserons sur le cas d’un moteur turbo-diesel de 2,1 litre de cylindréedont les caractéristiques ont été relevées au laboratoire du CNAM à Saint-Cyr l’Ecole [7].La première idée est de remplacer le turbocompresseur par un compresseur électrique indépendant. Celapermettrait de rendre la fonction de suralimentation totalement indépendante du point de fonctionnement dumoteur thermique, le moteur électrique venant se substituer à la turbine du turbocompresseur. La puissancenécessaire à la suralimentation du moteur thermique en pleine charge est de 13,3 kW. Ceci montrepourquoi il n’est pas raisonnable d’entraîner le compresseur par un moteur électrique seul. Cette puissanceélectrique doit en effet être fournie par la batterie ou / et l’alternateur dimensionnés en conséquence.Conservons donc la fonction turbocompresseur que nous allons assister par un entraînement électrique.Nous avons alors différentes options oupossibilités afin d’obtenir la pression maximale surtoute la plage de fonctionnement.1) Soit nous définissons un turbocompresseurspécifique adapté uniquement au régime de pleinecharge, rendant le clapet de décharge inutile.L’assistance électrique vient dans ce cascompléter le turbocompresseur sur toute la plagede rotation (sauf au point de pleine charge !). Lapuissance nécessaire est dans ce cas de 4,5 kW(zone 1+2, figure 3.1).2) Soit nous gardons le turbocompresseur« actuel » avec clapet de décharge. L’assistanceélectrique permet uniquement de « combler » la

2 1

3

Figure 10 – Plage de fonctionnement du compresseur

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puissance nécessaire aux bas régimes soit 1,5 kW (zone 1, figure 3.1). La régulation aux hauts régimes esttoujours réalisée par le clapet de décharge.3) Soit nous gardons le turbocompresseur « actuel » sans le clapet. La puissance de compression aux basrégimes reste de 1,5 kW (zone 1). Mais la machine électrique permet en plus de freiner leturbocompresseur réalisant alors la fonction de régulation, nous pouvons alors théoriquement récupérerjusqu’à 4,5 kW (zone 3, figure 3.1).Maintenant que nous avons défini les puissances nécessaires à « l’assistance » du turbocompresseur,regardons quelles sont les solutions techniques envisageables.Nous pouvons obtenir la surpression à partir de deux compresseurs indépendants, le turbocompresseurassocié à un compresseur électrique montés en série ou en parallèle sur le circuit d’admission d’air.Une autre solution consiste à assister le turbocompresseur par unmoteur électrique soit externe, soit interne ou intégré dans leturbocompresseur (figure 11). Les solutions à moteurs électriquesexternes sont à proscrire du fait de l’inertie ajoutée mais aussi duvolume et de la longueur d’arbre augmentés. Parmi les solutions àmoteur intégré, plusieurs technologies de moteurs électriquesexistent. Les moteurs à courant continu, impliquant un collecteur,sont inadaptés aux vitesses des turbocompresseurs. Les moteurs detype synchrone à aimants permanents sont très intéressants enterme de performances (des prototypes ont été « vus » chez certainsconstructeurs) mais impliquent des températures de fonctionnementinférieures à la température limite d’utilisation des aimantspermanents (de l’ordre de 200°C suivant la nuance d ’aimant). Lemoteur électrique à réluctance variable est adapté aux très hautestempératures puisqu’il ne possède pas d’aimant mais impose larotation de matériaux ferromagnétiques à inertie importante et onréservera cette solution à des machines tournant relativementlentement vis à vis de l’application concernée ( ≈ 60.000 tr/mn), unexemple est présenté par Caterpillar dans le cas d’unturbocompresseur assisté par une machine électrique de 60 kWdestiné à un moteur diesel de « gros » camion de 15,2 litres decylindrée [8].

Moteurélectrique C T

Moteurélectrique TC

Figure 11 – Assistance électriqueturbocompresseur par un moteur

électrique externe ou interne

Bobine

Bobine

C T

Figure 12 – Assistance intégréeutilisant la roue de compresseur

(brevet CNAM)

Le dernier type de machine électrique existant est la machine asynchrone, celle-ci est très utilisée dansl’industrie pour ses qualités de simplicité, robustesse et d’alimentation sur le réseau électrique. Dansl’application présentée, cette solution est intéressante si l’on utilise les propriétés électriques de la roue decompresseur. En effet, il est possible de faire tourner directement la roue de compresseur en alliaged’aluminium en créant un champ magnétique tournant devant celle-ci (principe des machines asynchrones).Cette solution permet alors de ne rajouter aucune inertie auturbocompresseur et ne craint pas les hautes températures.Le CNAM a déposé un brevet décrivant certaines solutionssur ce principe [9]. Les moteurs électriques peuvent avoir desstructures cylindrique ou discoïdale (figure 13). Les deuxsolutions peuvent être adoptées dans l’applicationconsidérée. La solution classique cylindrique aisée à calculercar bien connue impose une certaine longueur d’arbre et undiamètre de rotor devant être compatibles avec les vitessesde rotation considérées. La solution discoïdale est à prioriplus « logeable » entre la turbine et le compresseur mais estbeaucoup plus difficile à étudier du fait de l’aspecttridimensionnel de la structure.L’implantation d’un turbocompresseur assisté électriquementdans le schéma global de la propulsion thermique ne pose àpriori pas de problème particulier si l’on reste dans le casd’une puissance électrique « installée » inférieure à 1,5 kW.

Bobine

Bobine

Aimant

AimantTC

Bo-bine

Bo-bine

TC

Figure 13 – Assistance intégrée à structurecylindrique et discoïdale

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Le problème devient beaucoup plus épineux si l’on désire récupérer l’énergie des gaz aux forts régimes caril faut considérer une puissance installée d’environ 4kW et assurément transformer l’alternateur en unalterno-moteur afin de profiter de la puissance récupérée pour l’injecter directement sur l’arbre moteur.Il existe actuellement dans le commerce des solutions de suralimentation électrique indépendante plusadaptées au « tuning » qu’à une utilisation rationnelle vis-à-vis des surpressions obtenues (<0,1 bar).Quelques modèles sont cependant intéressants mais adaptés à un fonctionnement temporaire. Uneapplication est visible sur des bus américains diminuant les émissions de polluant lors des phases dedémarrage.Les turbocompresseurs assistés électriquement vont assurément se développer dans un avenirrelativement proche (3 ans), mais pour cela il faudra tenir compte des problèmes liés aux puissancesélectriques mises en jeu. En effet, la Compatibilité ElectroMagnétique (CEM : problèmes liés aux parasites)mais aussi la stabilité en tension du réseau de bord imposerons de passer la tension à un niveau supérieurà 12 volts. Dans le cas de la suppression du clapet de décharge, comme nous l’avons vu, la puissancemotrice d’assistance est de 1,5 kW mais la puissance nécessaire au freinage est de -4,5 kW. Cette fortepuissance électrique est très pénalisante en terme de dimensionnement du moteur électrique et du reste del’installation.

CONCLUSIONLe turbocompresseur équipe maintenant la majorité des moteurs diesels. Dans le but d'une diminution de laconsommation des véhicules et de réduction des polluants, il devrait connaître un développement florissantdans les moteurs à essence notamment pour les moteurs de fortes puissances spécifiques "downsizing". Ildevrait aussi se marier particulièrement bien aux technologies en cours de développement tels l’injectiondirecte d’essence, la distribution variable et le moteur à taux de compression variable.Parmi les développements futurs nous pouvons envisager :La géométrie variable (aussi bien côté turbine que compresseur), la suralimentation combinée (utilisation de2 turbocompresseurs, d’un turbo + un compresseur mécanique, ou turbo + assistance électrique), ainsi quel'application de technologies spécifiques : les roues céramiques, les paliers à billes ou à gaz (ce quipermettrait de supprimer le système de lubrification).Bon nombre de ces développements sont des procédés existants. L’avènement de ceux-ci dans le domainede l’automobile est surtout lié à des problèmes de fiabilité mais surtout de coût, ces deux paramètres étantintimement liés.

REMERCIEMENTSNous tenons à remercier pour son aide précieuse et avoir accepté de présider cette conférence DominiquePetitjean, responsable Développement Nouveaux Produits à la société Honeywell-Garrett.

Bibliographie[1] Etude et essai d'une turbine radiale de turbocompresseur d'automobile. Mémoire d'ingénieur CNAM,Paris, Février 1983 - P. Podevin[2] Performances of turbocharger at low speed. SYMKOM'02, Lodz, Pologne; Octobre 2002 - P. Podevin –M. Toussaint – G. Richard – G. Farinole[3] Prévision des caractéristiques d'une turbine radiale à partir des données géométriques. Thèse dedoctorat de l'université de Paris VI, Novembre 1991 – M. Frelin[4] A study of turbocharged Diesel engine during sudden acceleration. Set up and exploitation of a specifictest rig. ICE Division of ASME, Ann Arbor, USA, Octobre 1999. P. Podevin – G. Descombes – P. Marez –F. Dubois[5] Influence d'une suralimentation à géométrie variable sur les performances et les émissions de particulesd'un moteur Diesel de propulsion routière. 9ème Colloque Scientifique International, Avignon, juin 2000 -G. Descombes - P. Podevin – M. Toussaint[6] Guide-vanes upstream the impeller of centrifugal compressor. EUROTURBO 5, Prague, RépubliqueTchèque; Mars 2003 - M. Toussaint – P. Podevin[7] Turbocompresseur assisté électriquement. Mémoire d'ingénieur CNAM, Paris, Octobre 2000 –B. Soigniart[8] ElectricTurbocompounding Cogénération. 2002 DEER, San Diego, USA, Août 2002 - Caterpillarresearch[9] Turbocompresseur à assistance électrique intégrée. Brevet Français n°FR2815671 et Européen n°EP1201891, Avril 2002 -.L. Prévond, G. Descombes, JC. Faugières, P. Podevin, JF. Rialland, B. Soigniart