Comment fonctionnent les turbocompresseurs et les compresseurs dans les moteurs à pistons ?

Mar 09, 2024

Beaucoup ont entendu ces termes ; aujourd'hui, nous les décomposons.

Les moteurs produisent de l’énergie en brûlant de l’air et du carburant. L’air et le carburant forment ensemble un mélange, parfois appelé charge. Dans un moteur à pistons, la puissance du moteur dépend de la quantité ou du poids de la charge pouvant être acceptée par les cylindres du moteur.

Le poids du mélange, qui peut être aspiré dans les cylindres par les pistons, dépend en grande partie de sa température et de sa pression. À mesure qu'un avion monte, la densité réduite de l'air entraîne une réduction de la pression atmosphérique et, en fin de compte, moins d'oxygène pénètre dans les cylindres. Pour cette raison, un moteur atmosphérique perd de la puissance à mesure que l’altitude augmente.

Pour augmenter la puissance d'un moteur à pistons, il peut être turbo ou suralimenté.

Un turbocompresseur comprend une turbine et un ensemble compresseur. La turbine et le compresseur sont montés sur le même arbre ; ainsi, lorsque la turbine tourne, le compresseur tourne également.

Le compresseur d'un turbocompresseur est directement relié au système d'admission des cylindres, tandis que la turbine est reliée au système d'échappement. Le compresseur est également exposé à l'entrée d'air du moteur.

Les turbocompresseurs peuvent augmenter la puissance du moteur au décollage et permettre aux avions de monter à des altitudes plus élevées. Un moteur atmosphérique ne peut produire qu’une pression au niveau de la mer de 29,92 pouces de mercure. À mesure qu’elle monte, la pression diminue en raison de la densité réduite de l’air. Avec un turbocompresseur, un moteur peut générer beaucoup plus de puissance. Par exemple, l'un des moteurs à pistons les plus puissants jamais construits, le Pratt & Whitney R-4360, qui est suralimenté, peut produire une pression d'admission de 60 pouces de Mercure au décollage, soit un peu plus du double de la pression atmosphérique normale.

Qu'un moteur soit turbocompressé ou non, il perdra toujours de la puissance à mesure que l'avion monte. Cependant, avec un moteur turbocompressé ou suralimenté, le moteur perd de la puissance à un rythme beaucoup plus faible. Cela facilite les altitudes plus élevées et l’atteinte de vitesses plus élevées.

Lorsqu'un turbocompresseur tourne, l'air circule dans le compresseur, augmentant ainsi la pression de l'air. Les compresseurs utilisés dans les turbocompresseurs sont pour la plupart centrifuges et sont constitués de deux parties principales : une roue et un diffuseur. Lorsque l’air frappe la turbine, il accélère et est projeté vers l’extérieur de la turbine. Depuis la turbine, l'air, qui a désormais acquis une énergie cinétique importante, passe dans le diffuseur. Le diffuseur est constitué d'aubes qui forment des passages divergents. Lorsque le flux d’air traverse ces passages, la surface accrue diminue la vitesse de l’air, augmentant ainsi sa pression. C'est une simple conversion de l'énergie cinétique (vitesse) en énergie potentielle (pression).

L'ensemble turbine d'un turbocompresseur est ce qui fait fonctionner le compresseur. Pour cela, les gaz d’échappement issus de l’échappement du moteur sont dirigés vers la turbine, la faisant tourner. La quantité de gaz d’échappement autorisée à s’écouler dans la turbine est contrôlée par ce qu’on appelle une wastegate.

C'est la partie la plus essentielle d'un turbocompresseur car elle contrôle sa vitesse ou sa rotation. La wastegate est essentiellement un mécanisme de soupape qui contrôle la quantité d’échappement qui s’écoule dans la turbine du turbocompresseur. Lorsque la wastegate est complètement fermée, presque tous les gaz d’échappement du moteur sont dirigés vers la turbine. Cela augmente la vitesse de rotation de la turbine et celle du turbocompresseur.

La wastegate doit être contrôlée de manière appropriée pour éviter unsur-boost situation. La suralimentation est une condition dans laquelle le moteur subit trop de pression, provoquant de graves dommages. Il existe deux méthodes par lesquelles la wastegate peut être contrôlée. L'une consiste à donner le contrôle de la wastegate au pilote, et l'autre (qui est la méthode la plus préférable) consiste à disposer d'un mécanisme automatique pour le contrôler.

Le contrôleur de pression absolue (APC) contrôle automatiquement la soupape de décharge pour éviter une surpression. L'APC contient une capsule anéroïde capable de détecter la pression à la sortie du compresseur du turbocompresseur. Il utilise la pression d'huile provenant de la lubrification du moteur pour contrôler l'actionneur de la soupape de décharge, qui comporte un mécanisme à ressort. Lorsqu'une pression trop élevée est détectée à la sortie du compresseur, l'APC vidange l'huile de l'actionneur de la soupape de décharge, ce qui amène le mécanisme à ressort à ouvrir la soupape de décharge, permettant ainsi à une partie des gaz d'échappement de s'échapper dans l'atmosphère. Lorsque le moteur a besoin de puissance, l'huile est envoyée à l'actionneur de la soupape de décharge sur commande de l'APC, le fermant et redirigeant les gaz d'échappement vers la turbine.