La suralimentation à deux étages des moteurs diesel

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Description détaillée

Il existe plusieurs montages :
 - parallèle avec 2 turbocompresseurs sensiblement identiques
             shématisation simplifiée              

 

Ce premier montage permet d'utiliser pour les bas régimes seulement un étage haute pression, puis lorsque les besoins en air du moteur augmentent (environ 2700tr/mn) de venir à l'aide d'un second étage haute pression alimenter avec un débit suffisant les cylindres.

Source PSA

(pression de suralimentation maxi : 1,7 bar)
Régime de rotation maxi du :
Turbocompresseur 1= 230000tr/mn
Turbocompresseur 2= 270000tr/mn
 
Mode 1 turbo de 0 à 2300tr/mn :
VC2 et VT2 sont fermées, le second turbo est isolé des 2 cotés (compresseur et turbine). V recirculation est ouverte afin d'équilibrer la pression de part et d'autre du compresseur 2. Seul le turbocompresseur N°1 alimente le moteur en air.

Mode transition de 2300 à 2700tr/mn :
VT2 s'ouvre progressivement pour que le 2e turbo entre en rotation. V recirculation est ouverte pour que le 2e turbo monte suffisamment en pression AVANT d'ouvrir VC2. VC2 s'ouvrira lorsque P1=P2 (valeurs données par 2 capteurs de pression). Une ouverture précoce ferait souffler C1 dans C2 et donc risquerait d'endommager le second turbocompresseur.

Mode 2 turbos au-delà de 2700tr/mn :
VT2 et VC2 sont grandes ouvertes, V recirculation est fermée. Les 2 turbines sont entrainées et les 2 compresseurs alimentent le moteur en air.

Mode régulation de la pression de suralimentation :
Une Wastegate « classique » s'ouvre proportionnellement à la commande calculateur afin de limiter le régime maxi des 2 turbos. 

Graphique des différents états

Il est possible de retrouver sur ce type de montage l'utilisation d'un turbocompresseur à géométrie variable comme élément principal puis un turbo dit "classique" monté en parallèle.
Nota : les régimes moteurs sont donnés à titre d'exemple et illustrent une moyenne car chaque adaptation moteur utilise une cartographie différente.


- série avec un étage basse pression (gros turbo) et un étage haute pression (petit turbo)
 Shématisation simplifiée

Ce montage utilise donc un « petit » et un « gros » turbo. Lors des bas régimes, le petit turbo permet d'avoir rapidement une pression de suralimentation élevée, les gaz d'échappement traversent les deux turbines.  Au fil de l'évolution du régime, la turbine de l'étage haute pression est de moins en moins entrainée jusqu'à ce que seul l'étage basse pression alimente le moteur avec un débit élevé. Afin de limiter le régime maximum, les gaz d'échappement sont dérivés des 2 turbines.
(pression de suralimentation maxi 1,95 bar)

Nomenclature :
1 : clapet bypass
2 : vanne EGR
3 : clapet de régulation de petite turbine
4 : clapet de régulation de grosse turbine
5 : calculateur de gestion moteur
6 : sonde de T°air admission
7 : papillon EGR
8 : capteur de pression admission

Fonctionnement :

Du régime de ralenti jusqu'à 1500tr/mn :
Les turbines des étages haute et basse pression sont entrainées par les gaz d'échappement. L'air est d'abord compressé par le gros compresseur puis par le petit. Le petit compresseur réalise la majeure partie du travail de compression.

De 1500 à 3000tr/mn :
Le clapet de régulation de turbine (3) répartit le flux de gaz d'échappement entre les deux turbines. Les différentes plages de fonctionnement sont réalisées en faisant varier la position du clapet de régulation de turbine. Le grand turbocompresseur joue un rôle de plus en plus important à mesure que le régime croît. Parallèlement, la pression de suralimentation est régulée (4).

De 3000 à 4000tr/mn :
La petite turbine et le petit compresseur sont contournés en ouvrant entièrement le clapet de dérivation de compresseur et le clapet de régulation de turbine.
Le grand turbocompresseur traite alors des masses d'air importantes sans aucune entrave par le petit turbocompresseur.
Le grand compresseur réalise seul le travail de compression.
Nota : les régimes sont donnés à titre d'exemple et illustrent une moyenne car chaque adaptation moteur utilise une cartographie différente.
Régime de rotation maxi du :
Petit turbocompresseur = 230000tr/min
Gros turbocompresseur = 170000tr/mn

Graphique des différents états

Des évolutions existent, mais le principe reste identique :
montage série toujours avec un gros turbo et un petit turbo
la technologie employée pour le petit turbo devient de type géométrie variable multi-ailettes : le temps de réponse est encore amélioré et la plage de couple agrandie.

tri-turbo = série avec un étage basse pression (gros turbo) et deux étages haute pression (petit turbo)

 Source BMW

 la pression de suralimentation augmente encore pour s'établir à 2,5b (pression relative)


montage avec un compresseur électrique
Avantages =
 - le moteur est bien plus réactif à la pédale d'accélérateur : temps de réponse réduit
 - agrément et reprises vigoureuses dès les plus bas régime
 - possibilité de "downspeeding" pour réduire la consommation de carburant
Inconvénients =
 - consommation électrique sous 12V important, architecture 48V nécessaire
 - coût
 

Source Audi

La suralimentation à 2 étages permet aujourd'hui un gain très conséquent agrément/performances/pollution mais à un coût élevé. Les équipementiers travaillent actuellement sur l'eboosting, le principe consiste à prendre un "gros" turbo que l'on assiste soit par un moteur électrique qui « lance » le turbo ou par un compresseur électrique qui pré-comprime l'air avant le turbocompresseur. Tout cela dans le but d'avoir des puissances élevées et un temps de réponse du turbo réduit (gain de couple à bas régime). 

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Méthodes et pratiques

Descriptif de l'entretien :
 
Les circuits de lubrification et de refroidissement participent au bon fonctionnement du dispositif. Ils doivent être parfaitement entretenus.
L'admission et l'échappement sont aussi des circuits qui entrent dans le bon fonctionnement de la suralimentation. (dépose, contrôle et remplacement des filtres à air, catalyseurs d'oxydation et filtres à particules)

Descriptif de la réparation :
gestion électronique = capteurs, actionneurs (électrovanne, moteur électrique...)
circuit d'air = filtre, durites, échangeur(s), dépression
turbocompresseurs = le système complet peut, suivant les équipementiers, ne pas se détailler.

La complexité du montage ajoute une réelle difficulté technique : par rapport à un montage simple suralimentation, le nombre d'éléments est bien plus important. A celà s'ajoute une gestion électronique aboutie.
L'étude de la documentation technique et l'exploitation d'une valise de diagnostic sont indispensables.

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Impact sur les compétences en atelier

Les RA1, RA2, MRA et les spécialistes et véhicules industriels doivent:

Etre en mesure de lire un schéma électrique, un shéma pneumatique et la documentation technique correspondante.
Etre en mesure d'utiliser une valise de diagnostic.
Etre en mesure d'effectuer des mesures avec un multimètre, un oscilloscope, un manomètre de pression.
Etre en mesure de contrôler une pression de suralimentation avec différents outils.

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Exemple d’outillage approprié

Pour les spécialistes, RA1, RA2, MRA :
valise de diagnostic, documentation technique, multimètre, (pour mesures précises, manomètres de pression, oscilloscope dédié, pompe à pression/dépression.)