BAC PRO Conducteur Routier
Transport de Marchandises
POLE TRANSPORT Louis Armand Chambéry (73)
SÉANCE 7 :
ALIMENTATION EN
AIR et TURBO
Objectif de cette séance : développer les connaissances permettant de conduire rationnellement et en sécurité le véhicule, et d'en exploiter les caractéristiques techniques.
Le conducteur doit être capable d'exploiter les caractéristiques techniques du véhicule en toutes circonstances, et d'identifier les principaux composants et le fonctionnement du moteur Diesel et principalement les éléments liées à l'admission d'air.
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1 - Différents principes d'alimentation
en air :
1.1 Nécessité de l'alimentation en air du moteur :
Tout moteur thermique a besoin, pour fonctionner, d’un carburant et d’un comburant.
La combustion de ces deux produits fournit l’énergie qui est transformée en mouvement mécanique, et dégage de la chaleur qui représente les pertes de rendement. C’est le cas des moteurs à essence et Diesel qui sont tous deux des moteurs à combustion interne.
Il existe différents carburants : L’essence, le GPL ou le gaz naturel ou encore le gazole.
L’oxygène de l’air est le comburant.
En étudiant le cycle du moteur à 4 temps, on s'aperçoit que le 1er temps ( l’admission ) est crucial pour celui-ci.
En effet, le dosage du carburant se fait par la mesure du volume d'air aspiré, mesuré par le système d'injection avec le capteur de pression d'air et le débitmètre.
L'intérêt est donc d'admettre un maximum d'air pour le besoin du moteur, c'est ce qu'on appelle le remplissage.
02 = Comburant
Gazole, Essence, Gaz...
1.2 Moteur atmosphérique :
Le moteur atmosphérique désigne un moteur à combustion interne avec une alimentation en air simplement déterminée par la simple aspiration du piston qui est en phase descendante dans le cylindre.
Un moteur atmosphérique peut être vu comme un moteur "standard", c'est à dire qu'il respire naturellement l'air extérieur grâce aux va-et-vient des pistons qui fonctionnent alors ici comme des pompes aspirantes.
1.2.1 Avantages du moteur atmosphérique
-
Facilité d'entretien.
-
Faibles coûts de production et de développement.
-
Meilleure fiabilité.
-
Réponse directe à l'accélérateur
1.2.2 Inconvénients du moteur atmosphériques
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Consommation et émissions de C02 supérieures.
-
Rapport puissance / poids moindre.
-
Couple inférieur
-
Dysfonctionnement en altitude et dans certaines conditions météo : un temps pluvieux, sec, chaud ou froid aura une influence sur la pression atmosphérique, donc sur le volume de remplissage d'air. En altitude, l’oxygène de l'air est plus rare, donc la quantité d'essence injectée par le moteur, proportionnelle au volume d'air, sera moindre et le véhicule fonctionnera moins bien.
1.2.3 Avenir du moteur atmosphérique ?
Depuis le début du XXIe siècle, avec l’évolution des nouvelles normes antipollution et par une efficience supérieure des moteurs turbo, l’ensemble des constructeurs automobiles ont progressivement cessé de commercialiser des moteurs diesel atmosphériques.
Les moteurs essence ont suivi cette même tendance, si bien qu’aujourd’hui, la majorité des véhicules à moteur thermique mis sur le marché (essence et diesel confondus) sont turbocompressés.
Un possible retour au moteur atmosphérique est envisageable, la mode du downsizing montrant ses limites. Pour preuve, les données tronquées sur les émissions de polluants et de consommation pour les moteurs essence et diesel chez une célèbre marque allemande, et sûrement chez les autres constructeurs. Ce scandale pourrait annoncer un retour des moteurs atmosphériques.
1.3 Moteur suralimenté :
1.3.1 Définition :
En génie mécanique, la suralimentation est un procédé qui vise à augmenter le rendement d’un moteur à combustion interne, sans augmenter sa vitesse de rotation.
Un moteur suralimenté bénéficie quant à lui d'un système additif permettant d'envoyer encore plus d'air dans le moteur.
Donc en plus d'aspirer de l'air par le mouvement des pistons, on en ajoute encore par le biais d'un compresseur.
Deux types de suralimentation existent :
-
Entrainé par l'énergie du moteur = compresseur ( Supercharger )
-
Entrainé par les gaz d'échappement = turbocompresseur.
Pour augmenter la puissance d’un moteur, on peut agir sur sa vitesse de rotation ou sur son couple :
• Agir sur l’accroissement de la vitesse de rotation d’un moteur est vite limité par l’inertie des pièces en mouvement et les limites de la résistance au frottement des métaux qui le composent, dans la mesure où cela implique de plus fortes contraintes, cela se fait généralement au détriment de la fiabilité.
• Agir sur le couple du moteur en augmentant la quantité de carburant et de comburant grâce à un dispositif de suralimentation. Celui-ci peut être un turbocompresseur ou un compresseur mécanique entraîné directement par le moteur.
1.3.2 Rôle :
Agir sur le couple du moteur en augmentant la quantité de carburant et de comburant (air) grâce à un dispositif dit de suralimentation.
Celui-ci peut être un turbocompresseur ou un compresseur mécanique entraîné directement par le moteur.
Premier constat, un moteur turbo a potentiellement plus de puissance. En effet, la puissance découle directement de la combustion dans les cylindres, plus elle est importante plus le cylindre "bouge fort" et donc plus la voiture est puissante. Avec un turbo, on peut caser plus d'air dans les cylindres que sans. Et comme on arrive à envoyer plus de comburant (l'air, et surtout la petite portion d'oxygène qui s'y trouve) on peut alors envoyer plus de carburant. On a donc plus d'énergie à brûler pour un cycle, on a donc plus de puissance. Le terme suralimentation est d'ailleurs très parlant, on gave littéralement le moteur d'air et de carburant, on en "bourre" un maximum dans les cylindres.
2 - Le moteur avec turbo :
2.1 Rôle principal du turbo :
Augmenter la puissance du moteur sans augmenter la cylindrée de celui-ci et donc, ni son encombrement, ni son poids. Le turbo augmente le rendement du moteur.
Son rôle est d’augmenter le remplissage du cylindre en air en améliorant la phase d’admission ; il permet ainsi de suralimenter le moteur et d’améliorer la combustion.
Par conséquent, il permet d’augmenter la puissance du moteur.
Il augmente aussi le couple moteur et diminue la consommation de carburant pour une même puissance.
Les gaz d’échappement entraînent à grande vitesse la turbine d’entraînement, celle-ci entraine grâce à un axe, la turbine de compression qui aspire et comprime l’air d’admission à 1,6 bars.
L’axe sur lequel sont les deux turbines est lubrifié par l’huile du moteur, sous pression. Pour information, l’axe du turbo est fragilisé car il tourne à plus de 100 000 tours/minute.
2.2 Emplacement du turbo :
Le turbo est fixé sur le moteur, et plus précisément entre les collecteurs d’admission et d’échappement.
2.3 Fonctionnement du turbo :
La turbine d’échappement ( dite d’entrainement ) récupère l’énergie des gaz d’échappement. Une fois en rotation, elle entraine avec elle la turbine d’admission ( dite de compression ), qui contribue à un meilleur remplissage des cylindres à l’admission...
A Savoir : un turbo ne peut pas fonctionner de manière identique à tous les régimes, les "hélices" des turbines ne peuvent pas fonctionner de manière identique selon la force du vent (du régime et des flux d'échappement donc). Résultat, le turbo fonctionne au mieux sur une plage réduite, d'où l'effet coup de pied aux fesses.
On a alors deux solutions, un turbo à géométrie variable qui modifie l'inclinaison de ses ailettes ou alors la double ou même triple suralimentation. Quand on a plusieurs turbos, un s'occupe du bas régime (petits flux donc petit turbo adapté pour ces "vents" là) et l'autre des hauts régimes (plus gros généralement, c'est logique les flux sont plus importants à cet autre moment). Avec ce dispositif, on retrouve alors l'accélération linéaire d'un moteur atmosphérique, mais avec bien plus de pêche et de couple évidemment (à cylindrée égale évidemment).
Fonctionnement du Turbo par Th. Schwenkle
3 - Le moteur avec compresseur :
3.1 Rôle principal du compresseur :
Un compresseur est comme un turbo sauf qu’il tourne beaucoup moins vite. En effet son rôle est d’injecter de l’air compressé dans le moteur. Il tourne moins vite car il est entrainé par le moteur ( depuis le vilebrequin par une courroie, une cascade de pignons… ), ou un moteur électrique… alors qu’un turbo est entrainé par les gaz d’échappement.
Vidéo Compresseur centrifuge par Th Schwenkle
3.2 Comparaison du moteur atmosphérique et du moteur suralimenté :
Un moteur atmosphérique aspire d'autant plus d'air qu'il monte en régime, sa puissance arrive donc plus haut dans les tours puisque c'est à ce moment là qu'il brasse le plus d'air et de carburant.
Un moteur turbo peut lui avoir beaucoup d'air et de carburant dès les bas régimes puisque le turbo gave les cylindres d'air "artificiellement" (air qui s'ajoute donc à celui aspiré naturellement par le mouvement des cylindres). Amenant alors plus de comburant, plus de carburant est envoyé lors de ces faibles régimes, ce qui amène alors un surplus d'énergie (c'est un genre de dopage).
Notez cependant que les compresseurs animés par le moteur ( ex : supercharger animé par le vilebrequin ) permettent de gaver le moteur d'air encore plus bas dans les tours. Un turbo fonctionne grâce aux gaz expulsés dans l'échappement, il ne peut donc pas vraiment bien fonctionner dans les très bas régimes ( là où les flux d'échappement ne sont pas très importants ).
Le turbocompresseur permet d’accroître le rendement d’un moteur. Entraîné par les gaz d'échappement, il comprime l’air nécessaire à la combustion du carburant, afin d’en admettre davantage dans les cylindres. La puissance et le couple peuvent ainsi être améliorés sans augmentation de cylindrée. Contrairement au compresseur, actionné par le vilebrequin, le turbocompresseur n'est réellement efficace qu'au-delà d'un certain régime, quand le volume des gaz est suffisant. Les moteurs turbocompressés peuvent donc s'avérer creux à bas régime. En revanche, le turbo dispose d'un meilleur rendement que le compresseur, qui capte une partie de la puissance
4 - Le turbo intercooler :
4.1 Rôle principal de l' intercooler :
L’ intercooler : récupère l’air comprimé et chaud à la sortie du turbo pour le refroidir dans un échangeur thermique (radiateur air-air ) avant de le rediriger vers le collecteur d’admission.
L’ intercooler refroidit l’air compressé ( de 140° à 45°C ) avant son entrée dans les cylindres, ce qui a pour effet d’augmenter le volume d’air admis
Circuit d’aspiration de l’air
Circuit d’air compressé non refroidi
Circuit d’air compressé refroidi
Circuit d ’échappement
4.2 Principes de fonctionnement :
A savoir : pour brûler 1 gramme de gasoil dans un moteur diesel, il faut au moins 15 grammes d’air. Le circuit d’alimentation en air et donc aussi important que le circuit d’alimentation en gazole pour le bon fonctionnement d’un moteur.
Plus il est possible de faire entrer d’air dans un moteur, plus il sera possible de brûler de gazole et plus le moteur sera performant.
Le rendement pour un moteur diesel atmosphérique est de 28% dans les meilleures conditions (niveau de la mer, régime au coupe maxi, taux de remplissage des cylindres de 80%…). Ce qui revient à dire que pour 100 litres de gasoil consommés, 28 seulement servent à faire avancer le véhicule ( les autres disparaissent principalement à l’échappement et dans le circuit de refroidissement ),
Le rendement pour un moteur diesel suralimenté est de 35% (remplissage du cylindre 105%) de plus il est beaucoup moins sensible à l’altitude.
Le rendement pour un moteur diesel suralimenté et intercooler est de 45% (remplissage du cylindre jusqu’à 180%), ce sont aujourd’hui les moteurs à combustion ayant le meilleur rendement.
Vidéo Renault Trucks : Moteur DTi 11 Euro 6
5 - Maintenance sur moteur Diesel :
5.1 Maintenance qui incombe au conducteur...
Il peut être demandé au conducteur de contrôler l’état du filtre à air.
Au besoin, le conducteur pourra nettoyer ou changer ce filtre. Cette opération reste assez simple sur la plupart des véhicules ( véhicules légers comme poids lourds )
5.2 Précautions d'utilisation d'un turbo :
Un turbo de poids lourd peut atteindre une vitesse de rotation de 120 000 tours/min et jusqu’à 150 000 tr/min pour une voiture, et s’échauffer jusqu’à l’incandescence.
Il faut donc que son axe soit parfaitement lubrifié…
Au démarrage, laisser tourner le moteur 2 minutes avant de partir,
et à l’arrivée, attendre 2 minutes après l’arrêt du véhicule avant d’éteindre le moteur
Au démarrage, démarrer sans accélérer pour que le turbo soit lubrifié correctement…
Le turbo est lubrifié avec la même huile que le moteur et il faut un peu de temps pour que la circulation de l’huile s’établisse correctement,
À l’arrivée, ne pas accélérer avant l’arrêt du moteur pour ne pas lancer le turbo qui continuerait à tourner ( avec l’élan ) après la coupure du moteur sans être lubrifié :
Coupure du moteur = coupure de la pompe à huile et donc du circuit de lubrification.
L’axe qui relie les 2 turbines doit être parfaitement lubrifié :
Attention au démarrage et lors de l’arrêt du moteur ainsi que lors des vidanges.
Après avoir effectué une vidange moteur et avant de remettre celui-ci en route, faire tourner le moteur au démarreur.
Cette opération permet de remplir d’huile les filtres qui ont été changés et ainsi permettre que la lubrification de l’axe se fasse rapidement.
5.3 Autres précautions :
Au vu de l’importance de la lubrification, il convient de surveiller :
- La pression d’huile
• Contrôler le manomètre de pression d’huile
• Surveiller le(s) voyant(s) d’alerte
( huile, fonctionnement turbo, colmatage filtre à air)
- La qualité de l’huile
• Respecter l’intervalle et la périodicité des vidanges
• Utiliser une huile préconisée par le constructeur
- La propreté des filtres
- Veiller à ce qu’aucun produit inflammable ne puisse atteindre le turbo car il y a risque d’inflammation immédiate ( fuite de gasoil par exemple )
Arrêter immédiatement le moteur si il y a risque de défaillance du turbo compresseur ( voyant d’alerte allumé, sifflement anormal variant avec le régime moteur ou fortes fumées noires à l’échappement ). En effet si l’axe du turbo prend trop de jeux, les ailettes du compresseur peuvent frotter sur le carter et en se détériorant envoyer des particules métalliques dans le collecteur d’admission ( "pipe" ) puis dans les cylindres, ce qui peut provoquer la destruction du moteur.
Surveiller les fumées d’échappement : la fumée noire et manque de puissance indiquent un moteur qui manque d’air.
Casse du turbo sur Renault Laguna
Les causes du manque d’air :
- Problème de prise d’air extérieure obstruée,
- Filtre à air encrassé ( à changer sur un véhicule routier environ une fois par an ou à 100 000 km ),
- Problème sur les tubulures du circuit d’alimentation en air ( exemple : si le raccord caoutchouc entre la cheminée de prise d’air et le reste du circuit est mal positionné suite à un basculement de la cabine ),
- Radiateur intercooler percé ( attention panne difficile à détecter car aucune fuite de liquide dans un radiateur air/air ! )
- Mauvais réglage du jeux au soupapes
- Défaillance du turbo compresseur …
Avec l’aide du carnet d’entretien et de la notice du véhicule, le conducteur veille au respect de la périodicité des contrôles et entretiens.
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