TRIBUNE - Présentation des turbos à géométrie variable par BorgWarner

Au-delà de l’électrification des groupes motopropulseurs, des systèmes de propulsion basés sur des moteurs à combustion interne à haut rendement sont nécessaires pour atteindre les futurs objectifs d’émission de CO2 et de polluants encore plus stricts. L’hybridation des groupes motopropulseurs ouvre des opportunités d’intégration de l’assistance électrique du système de suralimentation, mais aussi à de nouvelles stratégies de conception des turbocompresseurs mécaniques.

Objectif commun de ces concepts : élargir la plage de rendement optimal du moteur (réduction du CO2) et permettre son fonctionnement stœchiométrique en tout point, jusqu’ à la puissance maximale (réduction des polluants réglementés). Cette optimisation du rendement du moteur est notamment permise par la combustion Miller/Atkinson, pour laquelle le turbocompresseur à géométrie variable (VTG) constitue la solution de suralimentation idéale. L’excellent rendement du turbocompresseur VTG BorgWarner est obtenu par l’optimisation des caractéristiques aérodynamiques et peut être encore amélioré via l’emploi de roulements à billes.

Développement de moteurs essence

Plusieurs paramètres permettent d’accroître le rendement d’un moteur à essence : augmentation du rapport volumétrique, utilisation du recyclage des gaz d’échappement, cycle Miller/Atkinson et diverses combinaisons de ces mesures. La multiplication des systèmes hybrides et hybrides rechargeables justifie le développement de moteurs à combustion interne optimisés pour le fonctionnement hybride. Les moteurs turbocompressés à essence à cycle de Miller offrent une densité énergétique spécifique supérieure, permettant une consommation inférieure par rapport aux moteurs atmosphériques optimisés pour un fonctionnement hybride.

L’augmentation du rendement des moteurs à combustion interne présente de nouveaux défis – outre ceux liés au principe-même du cycle de Miller : Le turbocompresseur VTG offre ici un meilleur rendement du système par rapport à la technologie wastegate conventionnelle (soupape de décharge). Il permet à la fois d’augmenter la puissance spécifique de 15 à 20 kW/l et de réduire la consommation de carburant par rapport au turbocompresseur wastegate. Cela est rendu possible par la possibilité d’accroître le taux de "millerisation" en exploitant toute l’enthalpie contenue dans les gaz d’échappement. Le turbocompresseur VTG peut atteindre un gradient thermique entre la sortie du moteur et l’entrée dans le système de post-traitement des gaz d’échappement d’environ 25 °C supérieur à celui des turbocompresseurs wastegate. Parallèlement, le turbocompresseur VTG maintient des hauts niveaux de suralimentation à bas régime permettant de respecter les seuils RDE (Real Driving Emissions) y compris pour les moteurs de puissance spécifique supérieure à 100 kW/l.

Avantages du turbocompresseur VTG équipé de roulements à billes pour les moteurs essence.

Un potentiel supplémentaire de baisse de la consommation est la "millerisation" à charge partielle. Mais ce potentiel peut être limité par le rendement de la suralimentation. C’est exactement ce qu’évite le concept du turbocompresseur VTG BorgWarner. La conception optimisée des composants aérodynamiques et l’emploi de roulements à billes plutôt que des paliers classiques améliorent jusqu’à 5 % le rendement du turbocompresseur par rapport à son homologue à wastegate. L’utilisation de roulement à billes permet en outre de compenser le traditionnel temps de réponse du turbo, qui serait par ailleurs amplifié par le principe de combustion selon le cycle de Miller.

Développement du turbocompresseur VTG

Introduite pour la première fois sur les moteurs diesel en 1997, la technologie VTG est devenue depuis, le système de suralimentation standard des moteurs Diesel des véhicules particuliers. Son usage s’étend désormais aux moteurs à essence, en tant que composant indispensable pour l’utilisation optimale du cycle Miller. BorgWarner a introduit en 2006 la première application en série d’un turbocompresseur VTG essence pour le moteur Boxer 3,6 l de la Porsche 911 turbo. Avec la généralisation du cycle Miller, la technologie a rapidement conquis le marché, favorisée par l’expérience passée du VTG diesel qui a permis de réduire fortement le coût de cette technologie.

Évolution de la technologie VTG de BorgWarner.

Une conception haute performance avancée

Le VTG est doté d’aubes inclinables situées autour de la roue turbine (cartouche VTG) pour contrôler le débit massique des gaz d’échappement passant à travers la turbine. Ce principe permet d’améliorer le rendement de la turbine sur une plus grande plage de fonctionnement du moteur, par rapport au principe de la soupape de décharge qui contourne simplement la turbine. En raison des fortes sollicitations subies par les matériaux de la cartouche VTG, le système était à l’origine réservé aux moteurs diesel en raison de leurs plus faibles températures de gaz d’échappement (jusque 860 °C environ). BorgWarner a tiré profit de l’expérience acquise sur le moteur essence Turbo haute température de la Porsche 911 pour pousser le développement des matériaux du VTG. Les progrès considérables sur la connaissance de ces matériaux et leur coût, combinés à la technologie de combustion Miller/Atkinson dont les températures de gaz d’échappement avoisinent 950 °C, ont rendu la technologie VTG très intéressante en vue d’une utilisation sur les moteurs essence de nouvelle génération actuellement développés pour les systèmes hybrides.

La meilleure efficacité aérodynamique et le meilleur contrôle du turbocompresseur VTG s’expliquent par des aubes directrices d’entrée réglables, qui permettent des débits de gaz plus de deux fois supérieurs à celui des turbines contrôlées par wastegate (pour des diamètres de roue identiques). Enfin, un maximum d’efficacité est rendu possible grâce à la combinaison unique d’un système de guidage de flux par lame fixe en amont des aubes de la cartouche VTG elle-même. Ce procédé optimise la gestion du compromis entre la pression de suralimentation et la contrepression échappement résultant du travail de compression. Cela favorise in fine la réduction des émissions de CO2, tout en adaptant précisément la suralimentation aux caractéristiques de rendement du moteur.

La conception des composants aérodynamiques est particulièrement importante pour le rendement du VTG. Les turbines BorgWarner sont adaptées individuellement à la géométrie de système d’échappement du moteur et de son système de dépollution afin d’optimiser la qualité aérodynamique des flux en fonction de l’application client. La volute de la turbine est conçue pour offrir une surface minimale (pour limiter les pertes thermiques aux parois) et un encombrement optimisé répondant aux contraintes de compacité des compartiments moteur. L’aérodynamique de la turbine et de sa volute sont optimisés numériquement afin de d’orienter le flux de gaz d’échappement avec les aubes d’entrée de la cartouche VTG.

Conception de lame brevetée offrant un rendement élevé du flux.

Le guidage de flux innovant du turbocompresseur VTG réduit la déformation thermomécanique de la cartouche VTG et contribue à réduire les jeux latéraux des aubes directrices d’entrée (Fig. 3). Cela permet d’offrir des rendements élevés en faveur du couple à bas régime du moteur, très apprécié par les clients. Les aubes directrices d’entrée du turbocompresseur offrent une forme en S brevetée par BorgWarner pour garantir une déflexion du flux sans perte (qualité aérodynamique) et minimiser les efforts mécaniques sur les aubes directrices (durabilité), en garantissant à tout moment la position de sécurité. La cartouche VTG, conçue comme un système modulaire, est disponible en plusieurs tailles pour répondre aux objectifs de cartographie thermodynamique optimal, et ce, pour toutes les cylindrées et performances des moteurs essence des véhicules particuliers. Des options individualisées de roues de turbine ajustent finement les caractéristiques de rendement aux objectifs des motoristes.

Comparés aux moteur Diesel, les moteurs essence exigent à la fois une faible contre-pression et une capacité en débit élevée pour éviter le cliquetis. Pour cela, BorgWarner utilise de roues de turbines VTG à flux radial. Des rendements plus élevés sont également nécessaires à des débits de turbine inférieurs (à 30-40 % environ du maximum) afin d’améliorer la réponse du moteur et le couple à bas-régime. Il est désormais possible d’obtenir avec les VTG BorgWarner des temps de réponse comparable aux petites turbines à géométrie fixe à faible inertie, optimisées pour les transitoires. Cela est obtenu par le rendement aérodynamique de la géométrie variable d’une part, et par les progrès de la thermomécanique qui ont permis la réduction de l’inertie des dernières générations de roue de l’ordre de 10 à 20% par rapport aux VTG Diesel de précédente génération d’autre part. Cette réduction d’inertie est obtenue sans compromettre la durée de vie de la roue de turbine.

Conception de la route de turbine VTG à flux élevé.

Des turbocompresseurs plus efficaces grâce aux roulements à billes

Les pertes mécaniques sont considérablement réduites dans les turbocompresseurs à roulements à billes par rapport à leurs homologues de taille identique dotés de paliers. Le rendement global d’un turbocompresseur à roulement à billes est aussi accru grâce à la meilleure stabilité du rotor, qui permet une réduction du jeu entre le carter et la roue, à la fois du côté du compresseur et de la turbine.

Paraboles de rendement turbine comparées entre roulement à billes et palier (à gauche) et rendement global du turbocompresseur.

Le concept unique de roulement à billes développé par BorgWarner optimise la transmission acoustique du balourd et la stabilité du mouvement de l’arbre, à la fois pendant l’accélération et la décélération du rotor. La rigidité supérieure des roulements à billes nécessite l’optimisation des voies de transmission des vibrations solidiennes qui sont transférées dans l’environnement. Une attention particulière est également accordée aux huiles à faible viscosité (HTHS ≈ 2,0 mPa s) utilisée à des pressions d’huile relativement faibles, de façon à obtenir un équilibre optimal entre la stabilité du roulement et la réduction des vibrations.

Cette conception optimisée consiste en une cartouche de roulement à billes flottant sur un film d’huile à l’intérieur carter central. Ce film d’huile assure l’amortissement des mouvements du rotor dans le carter central. BorgWarner utilise également un système breveté de bagues de découplage pour stabiliser le film d’huile d’amortissement, centrer la cartouche et améliorer l’équilibrage, par conséquent, le comportement acoustique. En outre, ces bagues isolent la zone de pression de l’amortisseur du reste du logement du roulement. Cela permet de contrôler le débit d’huile et de réduire les pertes de roulement, tout en permettant à l’amortisseur à film d’huile de compenser le mode propre de déformation du roulement à billes.

Coupe transversale du centre d’un roulement à billes.