Cartographier la pression de suralimentation sur les moteurs turbo de taille réduite
Pour se conformer aux législations de plus en plus strictes en matière d’émissions polluantes, les constructeurs se tournent vers des moteurs de plus petite taille. Bien que ces petits moteurs consomment moins de carburant et émettent beaucoup moins d’émissions polluantes, ils nécessitent une induction forcée pour offrir des performances dignes des véhicules de tourisme modernes.
Les performances de ces moteurs turbo de petite taille doivent au moins égaler celles des moteurs standards équivalents. Cela nécessite une pression de suralimentation maximale à bas régime, tout en maintenant la puissance à haute régime. Ces performances ne peuvent être atteintes qu’avec un système sophistiqué de contrôle de la pression de suralimentation.
La principale difficulté des moteurs à induction forcée est de contrôler précisément le ratio air-carburant et la stœchiométrie des différentes pressions de suralimentation. Avec ces moteurs, un phénomène de cliquetis (combustion anormale) est susceptible de se produire à bas régimes.
Systèmes modernes de contrôle de la pression
Agir sur le taux de dilution est le moyen le plus simple de contrôler la pression de suralimentation.
Une fois la pression spécifique atteinte, une partie des gaz d’échappement est redirigée autour de la turbine via une dérivation. Un diaphragme à ressort actionne généralement la soupape de décharge qui ouvre ou ferme la dérivation en réponse à la pression de suralimentation.
De nos jours, les fabricants se tournent vers une géométrie de turbine variable pour réguler la pression de suralimentation. Cette géométrie variable permet de faire varier le débit dans la turbine en fonction des paramètres de fonctionnement du moteur.
Lorsque le moteur tourne à bas régime, le débit est réduit en fermant les aubes directrices. La pression de suralimentation (et donc le couple du moteur) augmente en fonction de la chute de pression entre l’entrée et la sortie de la turbine. Pendant les accélérations à bas régimes, les aubes s’ouvrent et s’adaptent aux exigences du moteur.
En régulant le débit de la turbine pour chaque point de fonctionnement, l’énergie des gaz d’échappement est optimisée. De cette manière, l’efficacité du turbocompresseur (et donc celle du moteur) est supérieure qu’avec la méthode de contrôle de la dérivation.
Aujourd’hui, les systèmes électroniques de régulation de la pression de suralimentation sont de plus en plus utilisés dans les moteurs à essence modernes. Comparé au contrôle purement pneumatique, qui ne peut fonctionner que comme limiteur de pression à pleine charge, le contrôle de la pression de suralimentation permet un réglage optimal de la pression de suralimentation.
Le fonctionnement des aubes est obtenu par une pression de commande modulée en utilisant divers paramètres, tels que la température de charge, l’avance de l’allumage et la qualité du carburant.
Les simulations réduisent les délais de production et les coûts de développement
Confrontés à une multitude de variables complexes, les fabricants se sont tournés vers des modèles de simulation pour les phases de conception et de test.
L’un des obstacles à surmonter avec les moteurs turbocompressés de taille réduite est que la plage de fonctionnement du compresseur centrifuge à des pressions de suralimentation élevées est particulièrement restreinte.
La seule façon de créer un modèle de simulation efficace consiste à effectuer des tests approfondis en situation réelle. Ces essais sont principalement effectués en chambres climatiques sur des dynamomètres à moteur.
Lors de ces essais, les données de pression suivantes sont enregistrées :
- La pression du collecteur d’admission.
- La pression de suralimentation.
- La pression barométrique.
Ces données sont ensuite interprétées en fonction des températures du moteur (liquide de refroidissement et huile) pour obtenir une image précise des performances sur toute la plage de régime moteur.
Au cours de ces essais, il est important que les ingénieurs documentent toute anomalie des performances, car ces événements (tels que des impulsions d’échappement à des régimes spécifiques) peuvent générer des ondes stationnaires d’une fréquence critique pour la turbine, et ainsi réduire la durée de vie du turbocompresseur voire causer des pannes sévères.
Par conséquent, la cartographie des mesures de pression du compresseur et de la turbine est un élément essentiel pour créer un modèle d’extrapolation précis à mettre en œuvre pendant les simulations.
Un outil de simulation bien étudié peut faire gagner du temps et de l’argent aux constructeurs lors des tests dynamométriques et routiers, mais cet outil ne peut être développé qu’à l’aide d’une cartographie minutieuse des mesures de pression.
