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Turbocompresseur | Karine Goudreau 1
Turbocompresseur
e premier brevet du turbocompresseur, ou
turbo, a été déposé le 13 novembre 1905 par
l’ingénieur suisse Alfred Büchi. Il a permis
d’équiper un avion de reconnaissance pendant la
Première Guerre mondiale. De nos jours, on le retrouve
surtout dans les automobiles ayant un moteur diesel, dans les voitures de sports et de
courses comme dans le Subaru Impreza STI illustré ci-haut. Voici son fonctionnement
ainsi que les lois physiques qui entrent en jeu…
Premièrement, voyons ensemble le fonctionnement général d’un turbocompresseur. Le
turbo a comme but d’augmenter le rendement et la puissance d’un moteur tout en
diminuant un peu sa consommation d’essence. Le système du turbocompresseur est très
simple lorsqu’il est vu sous forme de
schéma, donc en voici deux -deux vaut
mieux qu’un, c’est bien connu-. Le
premier schéma représente le chemin
que parcourt l’air :
1) L’air arrive par le filtreur à air
(qui n’est pas illustré sur le
schéma malheureusement). Il
arrive dans le turbo et actionne
le compresseur qui est relié à la
turbine par un arbre central.
2) L’air est comprimé et poussé
jusqu’à l’échangeur d’air.
3) L’échangeur d’air refroidit le
gaz ainsi les particules sont
encore plus compactes.
4) L’air froid et comprimé est poussé jusqu’au moteur (plus précisément dans les
cylindres)
5) Le gaz chaud sort par un tuyau d’échappement et va vers le turbo.
6) L’air chaud entre dans la turbine qu’elle fait tourner.
7) L’air chaud sort de la turbine et se dirige vers le tuyau d’échappement.
L
Turbocompresseur | Karine Goudreau 2
Le deuxième
schéma montre
bien que les
molécules
d’air sont
comprimées
par le
compresseur et
sont encore
plus
compactes
lorsqu’elles
sortent de
l’échangeur d’air.
Bon, maintenant que vous comprenez un peu plus ce qu’est un turbocompresseur,
passons aux choses sérieuses! Comme vous avez pu le constater, plein de lois physiques
entrent en action dans ce système, découvrons-les…
Deuxièmement, dans tout moteur, on retrouve des
cylindres, des pistons et des bougies. Lorsque l’air
comprimé entre dans le moteur, il est injecté entre le piston
et la bougie. Le piston monte dans le cylindre et comprime
encore plus le fluide en même temps que de l’essence
s’injecte dans le même milieu. La bougie, le carburant et
l’oxygène mélangés ensemble produisent une mini
explosion qui fait descendre le piston à sa position initiale
et le cycle recommence, c’est ce qui fait tourner le moteur.
Le principe de suralimentation est simplement
l’augmentation du nombre de molécules d’oxygène ainsi
que le débit d’essence dans les cylindres pour produire une
plus grosse explosion et ainsi avoir plus de puissance et de
rendement, car plus de molécules, de comburant et de
carburant brûlent, plus l’explosion est forte.
Turbocompresseur | Karine Goudreau 3
La pression :
Troisièmement, parlons pression…la pression est un
phénomène physique bien connu, car on la subie tous les jours,
mais savez-vous vraiment ce qu’est la pression? La pression
d’un gaz est défini par le nombre de molécules pour un certain
volume ainsi que leur vitesse. Plus leur vitesse et/ou leur
nombre sont élevés, plus la pression sera forte. C’est
exactement ce qui arrive lorsque le compresseur entre en
fonction. Il aspire l’air par dépression au centre de la roue tout
en la comprimant pour créer la pression de suralimentation. La
pression dans ce système est presque toujours en dessous la
pression atmosphérique que nous subissons chaque jour, soit
101,3 kPa, mais cela est élevée pour un moteur.
La loi de Laplace :
Quatrièmement, l’air qui est comprimé subit un changement
adiabatique, donc il n’y a aucun échange thermique entre le
turbo et l’extérieur de l’automobile. Une transformation adiabatique change la pression,
la température ainsi que le volume. La loi de Laplace exprime cette situation sous forme
d’équations: P.Vγ = C1, T.V
γ-1 = C2 et T
γ.P
1-γ = C3= C1
1-γ C2
γ. «P» est la pression du gaz,
«V» le volume, «T» la température, γ= où γ est le coefficient de Laplace du gaz
parfait ou le rapport des capacités thermiques à pression constante, «Cp», et à volume
constant, «Cv», «C1» «C2» et «C3» sont des constantes pendant la transformation. La
pression totale, la somme des pressions statiques et dynamiques, dans ce système est plus
élevée lorsque le turbo est intégré dans un véhicule de course, soit dans les environs de
1,2, que lorsqu’il est dans une voiture de tous les jours, entre 0,7 et 0,8. La pression est un
facteur important lors d’une course, car elle augmente le rendement du moteur et peut
faire une différence de quelques secondes.
Tout qu’un homme !
L’unité de mesure de la pression, le
Pascal, vient du mathématicien
physicien, inventeur, philosophe
moraliste et théologien français, Blaise
Pascal né le 19 juin 1623. Il a
notamment éclairci les travaux de
Torricelli sur la pression et le vide. Il a
inventé la machine à calculer appeler
«Pascaline» en son honneur. Il a créé
deux sujets de recherche : la géométrie
projective et une méthode de résolution
du problème des parties qui précédèrent
le calcul de probabilités. Il fit beaucoup
d’autres choses en seulement 39 ans de
vie, il est mort le 19 août 1662.
Turbocompresseur | Karine Goudreau 4
L’accélération : Cinquièmement, Pierre Varignon a formalisé la
définition de l’accélération qui est un taux de variation de
vitesse. Elle dépend de la vitesse et de la direction de
celle-ci par rapport au temps. Elle est mesurée en m/s2.
L’accélération dans un turbocompresseur est un cycle
constant : si une voiture accélère, il y a plus de gaz
d’échappement de produit, donc la turbine et le
compresseur tournent ainsi plus rapidement et le cycle
recommence jusqu’à la vitesse voulue.
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Qui est Pierre Varignon ?
Pierre Varignon est né en 1654 à Caen, en
France, et a vécu jusqu’au 23 décembre 1722. Il
a été un des plus grands géomètres français de
son temps et physicien à ses heures. Il est à
l’origine du théorème de Varignon qui dit que si
on joint les milieux d’un quadrilatère
quelconque ensemble, on obtient un
parallélogramme de la moitié de l’aire du
premier quadrilatère. Il a aussi démontré la
règle de composition des forces concourantes
énoncée par Simon Stevin. Il a aussi formalisé
les théories de vitesse instantanée et de
l’accélération.
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Turbocompresseur | Karine Goudreau 5
Bibliographie
Québec Tunning, avril 2006, p.74-75
Médiagraphie
http://www.labellehistoiremotoguzzi.info/dotclear/index.php?post/2005/Principe-du-
turbo-compresseur
http://fr.wikipedia.org/wiki/Turbocompresseur#Vitesse_du_turbocompresseur
http://www.automobile-sportive.com/technique/suralimentation.php
http://turbo-tech.keuf.net/t1-comment-fonctionne-un-systeme-turbo-base
http://www.edinformatics.com/math_science/acceleration.htm
http://fr.wikipedia.org/wiki/Loi_de_Laplace_%28thermodynamique%29
http://www.chronomath.com/anx/th_varignon.html