Moteur III: Suralimentation

Cours : Moteur III

• Le programme du cours comprend les cycles théoriques, diagrammes réels, la suralimentation, la combustion, le bilan énergétique et les turbines à gaz.
• Les gaz d'échappement des moteurs à combustion contiennent encore une quantité importante d'énergie thermique inutilisée.
• La suralimentation est une technique pour récupérer cette énergie, optimiser l'efficacité énergétique et réduire les émissions polluantes lors de la combustion.
• En utilisant les gaz d'échappement pour comprimer l'air entrant dans le moteur, la suralimentation augmente la quantité d'oxygène disponible pour la combustion et permet d'injecter plus de carburant, créant une puissance accrue sans augmenter la taille du moteur.

Chapitre III : La suralimentation

• La suralimentation est un sujet essentiel dans les moteurs à combustion.

Introduction

• Les gaz d'échappement contiennent encore une énergie importante qui n'est pas utilisée.
• L'efficacité énergétique du moteur et les émissions polluantes peuvent être optimisées grâce à la récupération de cette énergie thermique inutilisée.

Le turbocompresseur (turbocharger)

• Le turbocompresseur est un élément clé de la suralimentation des moteurs à combustion.
• Il est composé d'une turbine et d'un compresseur.

La partie turbine

• La turbine reçoit les gaz d'échappement, convertissant leur énergie cinétique en énergie mécanique pour entraîner le compresseur.
• Les turbines à gaz utilisées pour la suralimentation des moteurs à piston peuvent être soit centripètes, soit axiales.
• Les turbines axiales sont plus efficaces pour les applications à haut débit et les turbines axiales sont utilisées pour les grandes puissances dans les moteurs de propulsion principaux alors que les turbines centripètes sont utilisées pour les petites et moyennes puissances dans les moteurs auxiliaires tels que les générateurs.

La partie compresseur (soufflante)

• Le compresseur comprime l'air entrant avant son entrée dans les cylindres du moteur.
• L'augmentation de la pression de l'air permet une meilleure densification de l'air et une combustion plus efficace. Ceci augmente la puissance du moteur sans le rendre plus gros.
• L'efficacité volumétrique du moteur est améliorée et d'autant plus avec l'augmentation de la puissance et des performances globales du moteur diesel.
• La roue du compresseur donne l'énergie cinétique à l'air.
• Le diffuseur transforme l'énergie cinétique en pression.
• La volute canalise l'air avant qu'il atteigne le collecteur d'admission du moteur.

Refroidissement de l'air d'admission

• Le refroidisseur d'air d'admission joue un rôle crucial dans le système de suralimentation des moteurs diesel marins.
• Il réduit la température des gaz entrés dans le moteur.
• L'air refroidi est plus dense, permettant d'augmenter la quantité d'oxygène disponible pour la combustion.
• L'air chaud sortant du compresseur passe à travers le réseau de conduits dans le refroidisseur où les fluides (généralement de l'eau de mer ou un circuit d'eau douce réfrigéré) le refroidissent.

Soufflante auxiliaire (Auxiliary Blower)

• Une soufflante auxiliaire est utilisée lors du démarrage du moteur et aux premiers temps de fonctionnement lorsque le débit des gaz d'échappement est faible car le turbocompresseur n'est pas encore en pleine opération.
• Cette soufflante fournit l'air nécessaire pour garantir la stabilité, éviter d'autres problèmes comme la combustion incomplète (fumée noire) et la perte de puissance.
• La soufflante auxiliaire est un élément crucial pour le démarrage et le bon fonctionnement d'un moteur à combustion.
• Le système de soufflante auxiliaire est désactivé une fois que le turbocompresseur est pleinement opérationnel.
• Les soufflantes auxiliaires sont des dispositifs utiles uniquement pour les moteurs diesel de type à deux temps.

Le phénomène de pompage (surge)

• Le phénomène de pompage est une instabilité de l'écoulement, causée par une diminution du débit.
• C'est un phénomène aérodynamique, présent dans des compresseurs axiaux et centrifuges.
• Le phénomène se produit quand la pression de sortie est plus élevée que la pression du système en aval.
• Le phénomène de pompage se manifeste par une instabilité du débit, du bruit, des vibrations excessives et une augmentation de la température.

Causes du pompage

• Changements brusques de la charge (p. ex. entrer dans une zone calmante).
• Diminution du débit d'air (dépôts, filtres encrassés).
• Augmentation de la pression de combustion.
• Accumulation de résidus d'huile dans le compresseur.
• Refroidisseur d'air obstrué.

Dispositifs de contrôle de pompage

• Systèmes automatiques pour la protection contre le pompage, impliquant des vannes et une mesure instrumentale.
• Des mesures sont prises soit pour augmenter artificiellement le débit traversant la machine, soit pour diminuer le rapport de pression.
• Contrôle de la géométrie variable (VGT): Les pales du distributeur de la turbine peuvent être ajustées pour une meilleure optimisation du débit d'air et de la pression, ce qui permet d'éviter le pompage.
• Les dispositifs anti-pompage (ASC) sont utilisés pour prévenir le pompage, permettant d'ouvrir ou de fermer des vannes lorsque le capteur détecte des risques de pompage, ainsi que de relâcher une partie du flux d'air pour maintenir la stabilité du compresseur.

Efficacité énergétique

• La suralimentation a un impact important sur le cycle pression-volume d'un moteur, en particulier sur les moteurs diesel.
• L'effet principal se traduit par une augmentation de la pression d'admission, qui modifie divers aspects du cycle thermodynamique.
• L'augmentation de la pression d'admission permet une compression plus efficace, une pression maximale accrue et une augmentation du travail produit.

Méthodes d'alimentation de la turbosoufflante

• Alimentation à pression constante: les gaz libérés par chaque cylindre sont dirigés vers un collecteur unique sous une pression uniforme. Les gaz sont ensuite détendus à la turbine par les tuyères et les aubes de turbine, assurant des performances constantes à une charge fixe.
• Alimentation à impulsion de pression: les gaz d'échappement sont directement transférés à la turbine, grâce à la pulsation, fournissant un meilleur rendement à des régimes plus élevés et en utilisant un collecteur modulaire pour alimenter la turbine à pression quasi-constante.

Système de lubrification des roulements

• Les roulements doivent être correctement lubrifiés et entretenus pour maintenir l'efficacité des turbocompresseurs.
• Les roulements à paliers lisses peuvent être intégrés au système moteur principal ou fonctionner indépendamment.
• Le système de lubrification doit permettre aux roulements de fonctionner efficacement à toutes les vitesses et doit inclure un système de refroidissement pour les paliers.
• Les lubrifiants spécifiques doivent s'adapter aux exigences de performance et de température.
• Des roulements à billes et un système d'huile de lubrification intégré avec une pompe d'engrenages autonome sont utilisés qui est actionnée par l'arbre rotatif.
• L'inspection et l'entretien d'un carter d'huile indépendant et d'un voyant (sight glass), avec ses repères de niveaux d'huile maxi/mini sont impératifs pour un bon entretien.
• Les systèmes de lubrification permettent un fonctionnement efficace et la réduction des frottements et de l'usure.
• Les joints labyrinthe sont utilisés pour séparer les parties (compresseur et turbine) du système de lubrification. Ils empêchent l'huile de pénétrer dans le compresseur et la contamination de l'huile.

Ce quiz explore le chapitre III sur la suralimentation dans les moteurs à combustion. Vous découvrirez comment cette technique utilise l'énergie des gaz d'échappement pour améliorer l'efficacité énergétique tout en réduisant les émissions polluantes. Testez vos connaissances sur les cycles, le bilan énergétique et plus encore.