vignette|Turbocompresseur sur un moteur de poids lourd (Renault Magnum).
Un turbocompresseur (dit « turbo », en langage courant) est l'un des trois principaux systèmes connus de suralimentation généralement employés sur les moteurs à combustion et explosion (essence ou diesel), destinés à augmenter la puissance volumique — les deux autres étant le compresseur mécanique et l'injection gazeuse.
Le rôle du turbocompresseur est d'augmenter le taux de dioxygène () dans chaque cylindre en comprimant l'air d'admission.
Le principe est d'augmenter la pression des gaz admis, permettant un meilleur remplissage des cylindres en mélange air/carburant, permettant soit d'augmenter la puissance d'un moteur soit de réduire la consommation avec un moteur de plus faible cylindréeVoir ..
Ce type de compresseur est entraîné par une turbine (d'où son nom) animée par la vitesse des gaz d'échappement sortant du bloc-moteur, qui cèdent une partie de leur énergie cinétique pour faire tourner la turbine, sans consommer de puissance sur l'arbre moteur.
Le turbocompresseur peut être jumelé à d'autres turbos afin d'augmenter la puissance voulue. Cette architecture est nommée « biturbo » lorsqu'un est ajouté, ou encore « quadriturbo » lorsque 4 sont présents au total.
Histoire
Le principe de la suralimentation des moteurs à combustion et explosion 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 turbocompresseurMartin, Joseph et Wauters, Pierre, Installations thermiques motrices, Chapitre 5, les moteurs à combustion interne, , Presses universitaires de Louvain, 2009 ..
vignette|redresse|Moteur Renault 12 Fe équipé d'un turbocompresseur Rateau exposé au musée de l'Air et de l'Espace
Le , le brevet du principe du turbocompresseur est concédé à l'ingénieur suisse Alfred Büchi par la Deutsches Reichspatent (DRP) et le , un autre pour son application au moteur à explosion Brevet et , « Der Abgasturbolader » . 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 , un V12 de équipant l'avion de reconnaissance Breguet XIV A2 pendant la Première Guerre mondialeGérard Hartmann, « Les Moteurs d'aviation Renault » , HydroRétro.net, in Dossiers historiques et techniques, aviation française, 2009.
On a assisté à un développement important du turbocompresseur lors de la Seconde Guerre mondiale où le « turbo » a été l'une des solutions (avec le compresseur mécanique et les dispositifs de surpuissance) permettant à des avions dotés de moteurs à piston de voler à haute altitude. En effet, l'air devenant plus rare à partir de , un moteur atmosphérique perd de la puissance et « cale » du fait du peu d'oxygène contenu dans l'air.
En 1962, la Oldsmobile F-85 Turbo Jetfire fut la première version commerciale d'un moteur suralimenté par turbocompresseur. Ce moteur était le Turbo-Rocket, un moteur V8 doté d'un turbocompresseur de petit diamètre Garrett T5 Oldsmobile's Jetfire Was A World First Turbo Car With A Fatal Flaw, carthrottle.com, consulté le .
La technique de suralimentation est très souvent appliquée aux moteurs des automobiles de course. En Formule 1 par exemple, elle a révolutionné la motorisation à partir de 1977 avec Renault et remporté de nombreux succèsÀ leur apogée, en 1986, les blocs turbocompressés de Formule 1 développent plus de en spécification qualifications. Le règlement stipule alors que la cylindrée maximum peut être de pour les moteurs atmosphériques mais de pour les moteurs turbocompressés. avant d'être interdite en 1989. La saison 2014 du championnat voit son retour dans la discipline, avec un moteur V6 de turbocompressé« Renault F1 : le V8 atmo est mort, vive le V6 turbo ! », Le Point, 26 février 2013.
(R5 Turbo, Alpine turbo, R5 GT Turbo), une autre apparition prouvera que le turbo ne sert pas qu'à « gonfler des petites voitures légères à moindre coût ».
Au , ce principe est largement répandu sur les moteurs Diesel modernesJTD et JTDm pour Fiat, TDI pour Volkswagen, HDI pour Peugeot-Citroën, CRDI pour Kia, CDTI pour Opel, TDCI pour Ford, DTI puis DCI pour Renault-Nissan. et, dans une moindre mesure, sur les moteurs à essenceTHP pour Peugeot-Citroën, TCE pour Renault-Nissan, TSI pour Volkswagen et MultiAir pour Fiat. du fait des risques d'auto-allumage lorsque la pression du mélange air-essence augmente. Cependant le meilleur contrôle de l'injection et de l'allumage a permis de concevoir des moteurs à essence turbocompressés entre autres dans le cadre du .
Fonctionnement
thumb|Turbocompresseur en coupe, avec illustration des différentes parties et températures par couleurs.
Le rendement d'un moteur à pistons est fonction de son rapport volumétrique, le taux de compression à l'intérieur du cylindre. Plus il est élevé, meilleur est le rendement.
La limite, pour un moteur à essence, est liée au risque d'auto-allumage (ou de cliquetis), qui, au-delà d'une certaine pression, entraîne une chute des rendements. Un moteur à essence turbocompressé est généralement conçu avec un rapport volumétrique inférieur à , mais certains bloc-moteurs descendent même en dessous de pour les blocs prévus pour des rendements supérieurs à et des pressions de suralimentation au-delà de de pression relative. Le rendement optimal pour un concepteur de moteur suralimenté serait d'obtenir un rapport volumétrique élevé avec une pression de suralimentation également élevée, pour éviter au maximum de pénaliser les régimes inférieurs à la charge positive du turbocompresseur, chose difficilement réalisable à cause des carburants actuels ainsi que du cliquetis, le seuil de ce dernier pouvant néanmoins être détecté et traité grâce aux avancées technologiques des calculateurs embarqués.
Une turbine placée dans le flux des gaz d'échappement sortant du moteur est entraînée à grande vitesse (partie rouge sur la photo). Elle est reliée par un arbre à un compresseur placé dans le conduit d'admission du moteur (partie bleue). Ce compresseur de type centrifuge aspire et comprime l'air ambiant, l'envoie dans les cylindres, en passant éventuellement par un échangeur air/air (en anglais ), ou plus rarement air/eau pour le refroidir, pour les trois raisons suivantes : la compression échauffe les gaz et la température de ces gaz est aussi l'un des principaux facteurs entraînant l'auto-allumage ; un gaz chaud étant moins dense qu'un gaz froid, il contient moins de molécules d'oxygène à volume identiqueD'où l'intérêt d'utiliser un échangeur de chaleur pour refroidir l'air comprimé et augmenter sa densité.. On pourra donc brûler moins de carburant et les gains liés au turbo seront moindres ; le rendement d'un moteur dépend en partie de la différence de température entre celle de l'air entrant et celle des gaz d'échappement. Plus la différence entre ces températures sera élevée, meilleures seront les performances du moteur. Une augmentation de la température d'admission dégrade donc le rendement moteur.
Le fait d'envoyer l'air comprimé dans les cylindres permet d'améliorer le remplissage de ces derniers qui, sinon, se remplissent par la dépression créée par le piston qui descend, et permet donc d'augmenter sensiblement la quantité du mélange air/carburant, ce qui permet d'améliorer la puissance volumique et d'obtenir la même puissance qu'un moteur de cylindrée supérieure, tout en réduisant les pertes mécaniques liées aux grandes cylindrées.
Les considérations écologiques grandissantes font qu'on assiste de plus en plus à un phénomène de « » dans la conception des moteurs automobiles par les grands constructeurs. Le principe vise à réduire les émissions polluantes et la consommation en diminuant la cylindrée des moteurs. Un moteur de faible cylindrée étant forcément moins puissant, on compense cette perte avec le turbocompresseur.
Avantages et inconvénients
thumb|La Honda CX 500 turbo, une des seules motos à turbocompresseur commercialisées.
Avantages : Un turbocompresseur est plus compact, plus léger, et plus facile à installer qu'un compresseur classique entraîné par l'arbre de sortie moteur ; Il exploite l'énergie cinétique des gaz d'échappement (vouée à être dissipée) pour comprimer les gaz d'admission, au lieu de prélever une part de l'énergie du moteur comme le fait un compresseur mécanique.
Inconvénients : l'énergie utilisée par le turbo n'est pas totalement gratuite, car il gêne le passage des gaz d'échappement en sortie des cylindres ; Le turbo perd nécessairement de son utilité à haut régime car une « vanne de décharge » (en anglais, ) s'ouvre pour préserver le moteur d'une trop forte pression. Seuls certains moteurs conçus pour tourner longtemps à très haut régime (tels que ceux équipant les F1 de 2014 et après) conservent réellement une efficacité significative à haut régime. Un turbocompresseur « classique » n'est efficace qu'au-delà d'un certain régime moteur appelé "régime d'accrochage", contrairement au compresseur mécanique dont l'efficacité commence dès les plus bas régimes mais est moins efficace à hauts régimes ; Lors d'un « coup d'accélérateur", le turbocompresseur a un temps de réponse du fait de son inertie, laps de temps où le débit de gaz d'échappement ne suffit pas encore à faire accélérer et tourner la turbine du turbocompresseur au régime idéal. En jargon automobile, on parle fréquemment de décalage (, en anglais). Cet inconvénient est presque absent avec les compresseurs mécaniques. En course automobile, dans les années 1980, certaines voitures ayant des moteurs de faible cylindrée avec des turbos très gros avaient un lag tellement important qu'il n'était pas rare que le pilote appuie déjà sur l'accélérateur avant-même d'avoir commencé à rentrer dans son virage, afin que le turbo ait le temps de se relancer durant le passage de la courbe. Cette pratique obligeait alors le pilote à freiner du pied gauche, tout en maintenant le moteur en régime avec le pied droit sur l'accélérateur.
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Applications particulières
thumb|Renault 9 Turbo : une voiture sportive des années 1980. Le principal problème d'un turbocompresseur étant son délai d'entrée en action, dû à l'inertie de sa roue de turbine, il existe beaucoup de voitures sportives dotées de moteurs « bi-turbo » (ou "twin-turbo" séquentiel), équipées d'un petit turbocompresseur pour charger l'admission dans les bas régimes, ensuite relayé par un plus gros pour remplir les cylindres, une fois le moteur dans les tours. L'avantage de ce type de montage est la quasi-absence de temps de réponse et l'absence d'à-coups sur la transmission causés par la mise en pression d'un seul gros turbocompresseur, la plage de couple étant répartie plus uniformément. Mais ce système prend plus de place dans le compartiment moteur et nécessite un entretien sérieux pour rester fiable dans le temps. Ce montage dit « séquentiel » équipe la Mazda RX-7 FD3S ou encore la Porsche 959. Il existe aussi un système bi-turbo plus classique, comme celui de la Nissan 300ZX Z32 et son , sur lequel chaque turbo suralimente un banc de trois cylindres uniquement, les turbos étant montés de part et d'autre du V6. Ce montage est très répandu sur les moteurs en V. D'autres constructeurs, comme BMW, ont recours à ce principe mais en installant les turbos à l'intérieur du V, l'admission étant à l'extérieur.