Comment fonctionne le turbo d'une voiture ?

Chaque technologie nous passe toujours un peu de son champ lexical pour notre langage courant. Nous avons tous traité au moins une fois une personne de fonctionner comme un turbo ; ce qui signifie que cette personne travaille avec beaucoup d’énergie et sans arrêt. On sait tous aussi que le turbo est un élément constitutif du moteur automobile. Mais concrètement, à quoi ça sert ? Comment fonctionne un turbo ? Pour répondre à cette question, commençons déjà à repréciser ce qu’est le turbo avant de parler de son fonctionnement.

Qu’est-ce qu’un turbo ou turbocompresseur ?

Le turbocompresseur, encore appelé simplement turbo est un système qu’on utilise sur un moteur pour augmenter sa puissance volumique. Il sert à comprimer l’air d’admission dans les cylindres, ce qui permet d’obtenir une croissance du taux de dioxygène. C’est un compresseur relié à une turbine, d’où son nom de turbocompresseur.

En fait, pour qu’un moteur fonctionne, il lui faut brûler du carburant qui est mis en compression avec de l’air. Plus la pression de l’air augmente au moment de son injection dans le moteur, plus celui-ci accroit son rendement. Le turbo joue ce rôle : il aide à compresser l’air.

Fonctionnement du turbocompresseur

Pour fonctionner, le turbo utilise ses deux hélices dont nous avons déjà parlé : la turbine et le compresseur. La turbine utilise les gaz d’échappement que le moteur rejette pour tourner à très grande vitesse. En effet, la vitesse à laquelle les gaz d’échappement sortent constitue une puissance cinétique qui est utilisée par le turbo pour tourner à une vitesse pouvant atteindre 280 000 tours par minute. Pour employer une image, disons que la turbine exploite l’énergie produite par le gaz d’échappement avant que celui-ci ne soit expulsé.

Un arbre mécanique relie la turbine au compresseur centrifuge qui est positionné dans le conduit d’admission. Lorsque la turbine tourne, le compresseur tourne également, à la même vitesse. Cette dernière étant très grande, le compresseur aspire une grande quantité d’air qui sera ensuite compressé. L’air ainsi comprimé est transmis à un échangeur air-air (intercooler).

Une fois que l’air compressé est passé dans l’intercooler, il est propulsé dans la chambre à combustion du moteur et lui permet de consumer peu de carburant tout en produisant plus de puissance. Le turbo permet par exemple à un moteur d’une capacité de 1,500 litres de produire une puissance proche de la capacité d’un moteur de 3 litres.

L’intercooler et la wastegate : deux dispositifs nécessaires au fonctionnement du turbo

Il y a plusieurs raisons pour lesquelles l’échangeur air-air est nécessaire. D’abord, cela permet de réduire le risque de surchauffe du moteur en réduisant la température de l’air qui va y pénétrer. En effet cet air compressé peut provoquer une surchauffe du moteur si sa température n’est pas comprise dans l’amplitude 80 et 100°. Ensuite, comme tout gaz, l’air est moins dense quand il est chaud que quand il est froid, ce qui veut dire qu’à très haute température, l’air contient moins de molécules d’oxygène, or c’est pour une suralimentation du moteur en carburant que l’on met le turbo en place. Enfin, en refroidissant la température du moteur, on crée une différence entre la température de l’air qui y pénètre par le conduit d’admission et la température des gaz d’échappement. Au fur et à mesure que cet écart creuse, la performance du moteur accroit.

En plus de l’intercooler que l’on appelle encore échangeur, les turbos sont souvent pourvus également d’un autre dispositif de sécurité qu’est la wastegate. Pour éviter toute surpression au moment de l’admission de l’air, le turbo peut être accompagné d’un système dont la fonction est de limiter la pression supérieure à ce que peuvent raisonnablement tolérer le moteur et son circuit de suralimentation. C’est donc un dispositif qui joue un rôle d’exutoire. Selon le modèle, l’on peut retrouver une wastegate intégrée au turbo comme elle peut en être détachée. Il faut rappeler que ce dispositif est réglable, selon que l’on veuille injecter encore plus ou beaucoup moins de pression dans le moteur. Le tout dépend de la puissance recherchée pour le moteur.

Combien de turbos pour une voiture

La véritable question est celle de savoir si un seul turbo suffit à permettre à une voiture de déployer au mieux sa puissance. Et BMW possède bien des modèles qui en possèdent trois. La première explication au besoin de recourir à plus d’un turbo réside dans le fait qu’à bas régime, les turbos ne tournent pas à grande vitesse et donc ne peuvent produire une grande puissance. C’est d’ailleurs pour cela que certains préfèrent simplement les compresseurs simples au turbo. Le compresseur classique puise son énergie dans l’énergie mécanique du moteur pour tourner tandis que le turbocompresseur exploite l’énergie générée par les gaz d’échappement et qui est suffisamment puissante pour permettre des rotations ultrarapides.

Certains constructeurs automobiles préfèrent donc placer un petit turbo qui démarre à bas régime et un second plus puissant pour prendre le relais quand la voiture enclenche le haut régime.

Quelques précautions à prendre

Le fonctionnement ordinaire d’un turbo induit deux risques : la friction de l’arbre reliant la turbine au compresseur et la température des gaz d’échappement. Parce qu’il tourne à une très grande vitesse, l’axe de turbine est menacé de friction. Il est donc mis sous le même système de lubrification que le moteur. L’ennui est que lors de l’arrêt du moteur, la lubrification de l’axe est arrêtée avant même que la turbine elle-même soit stoppée, ce qui veut dire que pendant un temps, la turbine tourne sans lubrification. A la longue, cela va abimer le dispositif, car sans lubrification, l’huile située entre le palier de la turbine et l’axe peut chauffer jusqu’à 1 000° C. C’est pour cela qu’il est recommandé de laisser tourner le moteur au ralenti durant quelques secondes ou deux minutes avant de l’éteindre, le temps de permettre à la turbine de faire chuter sa vitesse de rotation. L’on peut aussi installer un turbo timer, un dispositif dont le rôle est de couper le moteur quand le turbo s’est suffisamment refroidi. Les constructeurs ont trouvé cependant plusieurs mesures : PSA et BMW installent une pompe à eau électrique qui assure le refroidissement du turbo même après l’extinction du moteur. Sur d’autres moteurs, il est mis en place une pompe à huile consacrée au turbo seul et qui permet de le lubrifier indépendamment du moteur.