Le turbo chez BMW: généralités et mise en oeuvre sur le 6 cylindres N54

Le turbo est, je trouve, un sujet très intéressant: de plus en plus utilisé chez BMW (alors que la majorité de leurs moteurs sont atmosphériques), ils sont gage de performance, de puissance, d’économie de carburant et par là de réduction des gaz polluants (CO2).

Je vais donc vous parler du turbo en général: la suralimentation, le phénomène bang-bang, les Twin-Turbo BMW et leurs futurs tri-turbo, etc …

Histoire

Le principe de la suralimentation des moteurs thermiques à combustion interne a été proposé dès les premiers développements de ces moteurs. Louis Renault dépose en 1902 un brevet sur le principe de suralimentation par ventilateur ou compresseur, qu’il utilise en compétition, mais qui n’est pas encore défini comme un turbocompresseur.

• Le 13 novembre 1905 le brevet du principe du turbocompresseur est concédé à l’ingénieur suisse Alfred Büchi, par la Deutsches Reischspatent (DRP), et le 16 novembre 1905 un autre pour son application au moteur à explosion. Il s’agissait d’un compresseur centrifuge entraîné cette fois par les gaz d’échappement.
• Une des premières applications a été l’adaptation par l’ingénieur Auguste Rateau du turbocompresseur sur le moteur Renault 12 Fe, un V12 de 320 ch équipant l’avion de reconnaissance Breguet XIV A2 pendant la guerre de 1914-1918.

Au XXI^e siècle, ce principe est largement répandu sur les moteurs diesel modernes et dans une moindre mesure sur les moteurs à essence.

Ce type de compresseur récupère une partie de l’énergie cinétique et de l’énergie thermique contenues dans les gaz d’échappement, donc de l’enthalpie de ces gaz.

(source Wikipédia)

Fonctionnement

Déjà, il faut savoir qu’il y a 2 types de matériel pour la suralimentation (compresseur):

• le turbocompresseur le plus répandu: il utilise les gaz d’échappement.
• le turbocompresseur « électrique » ou « mécanique »: comme son nom l’indique, le compresseur est entrainé soit par un moteur électrique, soit par le moteur lui-même, via une courroie.

Les américains l’ont bien compris et appellent donc ce dernier modèle un « supercharger » (utilisé surtout sur les muscle cars) et l’autre un « turbocharger ».

Je vais bien entendu parler du turbocharger, utilisé chez BMW.

Le concept de la suralimentation est simple: augmenter la puissance du moteur (donc son couple) en le gavant de carburant pour avoir une explosion plus importante.

Un moteur naturellement aspiré a une efficacité volumétrique de entre 60 et 90%. Avec le turbo, l’efficacité volumétrique peut faire une pointe à plus de 100%.

Ayant compris cela, on se dit « cool, je vais monter de gros injecteurs et le tour et joué! »…BIIIIIIIP, eh non! n’oublions pas que pour avoir une combustion parfaite, il faut un mélange air/carburant adéquat. D’où la fonction de notre turbo qui va « envoyer » une plus grosse quantité d’air (on augmente la pression / masse volumique de l’air).

Maintenant que l’on a une explosion plus importante, il va falloir porter son attention sur le réchauffement du système. Eh oui, plus ça explose fort, plus ça chauffe. On va donc incorporer un échangeur air/air dans le système, entre le compresseur et le/les cylindres.

Voyons comment il fonctionne exactement, en image:

1- Arrivée de l’air frais, de l’extérieur, dans la turbine (pression atmosphérique)
2- Envoie de l’air compressée par la turbine
3- Échangeur air/air qui refroidit l’air précédemment chauffé par le turbo
4- L’air compressé et refroidit est arrivé à la porte du cylindre, près à y être y projeté
5- Le gaz s’échappe maintenant du cylindre, à une température et pression plus élevée
6- Là tout se joue: avec l’arrivée du gaz, la turbine est mise en mouvement, qui va donc entrainer le compresseur, de l’autre côté (notez que la turbine et le compresseur sont liés par un axe central, lubrifié)
7- Sortie des gaz à la pression quasi atmosphérique, vers l’échappement

Et en vidéo, on comprend encore mieux (commentaires en anglais et exemple sur un L4 BMW TwinTurbo)

http://www.youtube.com/watch?v=kniwwV89YlA

Le système semble parfait non? eh bien il ne l’est pas totalement:
– la présence de la turbine entraine une contre-pression qui agit sur le remplissage air/carburant.
– à bas régime, on souhaite du couple tout de suite (pression d’entrée beaucoup plus élevée qu’en sortie) et on observe du coup des instabilités au niveau du compresseur : de l’air circule dans le sens inverse, des oscillations de pression apparaissent. Parfois violentes, elles peuvent détruire le compresseur. On appelle cela le pompage.
– le compresseur a une vitesse de rotation maximale (de l’ordre de 200 000 tr/min).
– ça chauffe énormément, à la sortie des gaz des cylindres, on est dans les 1000°C.
– à haut régime, on souhaite un débit de gaz élevé mais une compression faible (tout le contraire de l’effet turbo).
– le turbo met un certain temps à s’enclencher, on appelle cela un effet de lag (temps de réaction).
– à pleine vitesse, le turbo doit être capable de ralentir sous peine de voir le moteur s’emballer.

Quelques solutions:
– la waste-gate, en lui associant un petit turbo, cette « soupape de sécurité » va lâcher du gaz automatiquement, ce qui va permettre de réguler le turbo (technologie simple et peu coûteuse).
– le turbo à géographie variable permet de tourner rapidement à un faible régime moteur ainsi qu’à haut régime.
– le double-turbo, lui, est bien utilisé chez BMW, je vais donc vous en parler plus en profondeur.

Le double turbo du moteur N54

Déjà, on se demande pourquoi BMW a choisi de monter un double turbo dans ce 6 cylindres alors que la firme est connue pour ces moteurs atmosphériques…eh eh, ils n’ont pas eu tord en fait…

Quoiqu’il en soit, le montage d’un turbo a déjà été effectué sur la 2002 turbo de 1973 et la 745i de 1980, il a donc fallu attendre 26 ans avant de revoir un modèle équipé de ce système (à part sur les diesel bien entendu).

Le but de ces 2 turbos est d’avoir en fait beaucoup plus de couple à bas régime (ils montent vite en vitesse de rotation) . C’est pour cela qu’ils sont petits (ils tiennent dans la main) et sont collés au moteur, sur le dessous (gain de place).

La pression des turbos dépend directement des gaz d’échappement qui atteignent les turbines. La vitesse et la masse des gaz dépendent alors de la vitesse du moteur et de sa charge.

Le système de gestion utilise des valves dites « wastegate » pour commander la pression/dépression.
Il est conçu pour s’assurer que ces charges et consommations n’aient pas une influence négative sur le frein moteur.
Les gaz d’échappement peuvent être complètement ou partiellement dirigés vers la turbine via les wastegate. Quand la pression a atteint son niveau désiré, la wastegate commence à s’ouvrir: une partie des gaz est directement rejetée vers l’échappement, sans passer par le turbo.
Ceci empêche la turbine de s’affoler et de tourner encore plus vite.
Cette option de contrôle permet donc au système de répondre à de diverses situations de fonctionnement: on peut avoir plus de puissance tout en améliorant la consommation d’essence.

Ci-dessous une waste-gate (entourée en rouge):

La « blow-off valve » permet quand à elle de libérer l’air soit vers le turbo soit dans l’atmosphère. Vous l’avez surement déjà entendu en passant à côté de voiture « tunnées » (un exemple ici).

Pour terminer, on notera que les séries 3 E92 équipées sur N54 possèdent une double sortie d’échappement, une pour chaque turbo.

Evolution vers un tri-turbo?

Comme on a pu le voir ci-dessus, ces doubles turbos ne sont efficaces qu’à bas régime…alors pourquoi ne pas en rajouter un plus gros, pour les hauts régimes??? on aurait donc 3 turbos, qui, à eux 3, couvriraient toute la plage d’utilisation du moteur!

Allé la division M, un petit effort, je suis sûr que vous y avez déjà pensé …

Un système anti-lag: bang-bang!

Le bang-bang (connu aussi sous le nom de ALS – Anti-Lag System ou plutôt post-combustion) est une technique de gestion du moteur qui permet de minimiser les temps de latence du turbo, notamment sur les gros modèles, qui ont un lag plus important.

Bien entendu, cette technique est utilisée en rallye, sur les voitures de course.

Avant la montée en puissance de l’électronique embarquée, les pilotes utilisaient une technique connue sous le nom de « freinage pied gauche »: ils utilisaient leur pied gauche pour freiner et leur pied droit accélérait pour garder le turbo en charge optimale. Le freinage pied gauche est très brutal sur les freins qui sont mis à rude épreuve mais est par contre très efficace pour maintenir le turbo en rotation.

Avec l’arrivée de l’électronique, l’ALS est donc apparût. Lorsque le conducteur lève le pied de la pédale d’accélérateur le point d’allumage est retardé de parfois 40 ° ou plus, l’air d’admission et le mélange d’alimentation en carburant se fait plus riche. Le papillon d’entrée est maintenu légèrement ouvert et un injecteur d’air, court-circuitant le papillon d’admission, est utilisé pour maintenir l’alimentation en air du moteur. Il en résulte un mélange air/carburant présent dans les chambres à combustion lorsque le conducteur n’accélère pas. L’allumage est fortement retardé, le mélange air/carburant, non brûlé, atteint les tubes d’échappement. Au moment du déclenchement de la bougie, la soupape d’échappement commence à s’ouvrir et enflamme donc le combustible passé dans l’échappement. La température des gaz d’échappement est alors extrêmement élevée, le combustible non brûlé explose au contact des tubes d’échappement. C’est donc ici, grâce à cette explosion, que le turbo est maintenu à sa vitesse de rotation.

Les inconvénients sont:

• une hausse rapide de température du turbo (qui passe de ~ 800 ° C à 1100°C) chaque fois que le système est activé.
• un stress énorme sur le collecteur d’échappement et les tuyaux (monté sur une voiture normale, ce système de bang-bang détruirait le système d’échappement au bout de 50-100 km).
• le turbo produit un élan significatif, même à des vitesses de ralenti du moteur.
• les explosions qui se produisent dans les tubes d’échappement génèrent des flammes importantes qui peuvent, parfois, être observé à la fin du tube d’échappement.

On entend bien cet ALS sur cette vidéo, une M3 E46:

Photos et vidéos

Ci-dessous des images du N54 et son turbo:

[Montrer sous forme de diaporama]

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Le fonctionnement du turbocompresseur à Géométrie Variable:

http://www.youtube.com/watch?v=8Zr722qkeA0

La présentation du twin-turbo Chevy, avec ses 2 énormes turbos (il s’agit d’un kit à installer):

Et une dernière galerie photo:

[Montrer sous forme de diaporama]

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