Moteurs à Combustion et Suralimentation

Cours Moteur III - Programme

• Le cours couvre les cycles théoriques, les diagrammes réels, la suralimentation, la combustion, le bilan énergétique et la turbine à gaz.

Chapitre III - La Suralimentation

• La suralimentation utilise les gaz d'échappement pour comprimer l'air entrant dans le moteur, augmentant la quantité d'oxygène disponible pour la combustion et générant une puissance accrue sans augmenter la taille du moteur.
• Elle améliore l'efficacité énergétique et réduit les émissions polluantes.

II. Le Turbocompresseur (Turbocharger)

• Le turbocompresseur est un élément essentiel de la suralimentation, composé d'une turbine et d'un compresseur.
• La turbine utilise l'énergie cinétique des gaz d'échappement pour entraîner le compresseur.

II.1. La Partie Turbine

• La turbine reçoit les gaz d'échappement et convertit leur énergie cinétique en énergie mécanique pour entraîner le compresseur.
• Les turbines peuvent être axiales ou centrifuges.
• Turbine axiale: Les gaz traversent la turbine parallèlement à l'axe de rotation, généralement utilisée pour les applications à haut débit.
• Turbine centripète: Les gaz pénètrent radialement, perpendiculairement à l'axe de rotation, puis vers le centre de la roue turbine, utilisée pour les applications à faible débit.
• La Volute collecte et canalise les gaz d'échappement provenant du moteur vers les pales de la turbine, convertissant l'énergie de pression en énergie cinétique.
• Le distributeur (stator) dirige les gaz d'échappement vers les pales de la turbine, augmentant leur vitesse pour une meilleure efficacité.

II.2. La Partie Compresseur (Soufflante)

• Le compresseur comprime l'air entrant avant qu'il n'entre dans les cylindres du moteur.
• Il augmente la pression de l'air, ce qui augmente la densité d'oxygène, permettant plus de carburant à brûler pour une puissance accrue sans augmentation de taille du moteur.
• Il améliore l'efficacité volumétrique du moteur.

II.3. Refroidissement d'Air d'Admission

• Le refroidisseur d'air d'admission réduit la température de l'air comprimé par le compresseur avant son entrée dans les cylindres, augmentant sa densité et la quantité d'oxygène disponible pour la combustion.
• L'air chaud sortant du compresseur passe à travers un réseau de tubes ou de plaques, refroidi par un fluide caloporteur (généralement eau de mer ou eau douce réfrigéré), augmentant la densité de l'air d'admission.

II.4. Soufflante auxiliaire (Auxiliary Blower)

• La soufflante auxiliaire fournit l'air nécessaire au démarrage et aux premières phases de fonctionnement du moteur diesel marin, car le turbocompresseur ne fournit pas immédiatement la pression d'air requise lors du lancement.
• Les soufflantes auxiliaires sont généralement activées automatiquement lorsque la pression d'air d'admission est trop basse et qu'elles sont désactivées lorsque le turbocompresseur est pleinement opérationnel.

III. Le phénomène de Pompage (Surge)

III.1. Définition

• Le phénomène de pompage est une instabilité de l'écoulement qui se produit lorsque le débit ou la pression disponibles à l'aspiration sont insuffisants.
• Cela conduit à une inversion soudaine du débit.
• Dans les conditions normales, le compresseur fonctionne à droite de la ligne de pompage.

III.2. Causes du Pompage

• Les changements brusques de charge (exemple : l'entrée d'un navire dans un fleuve).
• La diminution du débit d'air (dépôts de suie, contaminants...dans l'entrée de la turbine, réduit le débit de gaz).
• Les filtres à air encrassés réduisent le flux d'air entrant dans le compresseur.
• L'augmentation de la pression maximale de combustion.
• L'accumulation de résidus d'huile dans le compresseur.
• Refroidisseur d'air obstrué.

III.3. Dispositifs de Contrôle de Pompage

• Les systèmes de protection comportent des vannes, de l'instrumentation de mesure et un système de commande.
• En cas de diminution du débit, des dispositifs comme les vannes anti-pompage, ou le contrôle de la géométrie variable du compresseur, permettent d'augmenter artificiellement le débit ou de diminuer le rapport de pression.
• Ces dispositifs permettent d'éviter les conditions de pompage et de maintenir un flux d'air stable.

IV. Efficacité Energétique

• La suralimentation a un impact important sur le cycle pression-volume du moteur diesel, en particulier l'augmentation de la pression d'admission.
• Le diagramme P-V illustre cet impact, avec une augmentation de la pression maximale atteinte à la fin de la phase de compression, et plus de travail produit pendant le cycle de détente.
• La suralimentation accroît la quantité d'air comprimé dans le cylindre, permettant plus de carburant d'être brûlé efficacement augmentant la pression maximale au cours de la combustion.

V. Méthodes d'alimentation de la turbosoufflante

V.1. Alimentation à pression constante

• Les gaz libérés par chaque cylindre sont dirigés vers un collecteur unique, fournissant une pression constante à la turbine.

V.2. Alimentation à impulsion de pression:

• Les gaz d'échappement sont soufflés vers la buse et les pales du turbocompresseur lors de l'ouverture des soupapes d'échappement.
• Différents systèmes sont disponibles: Conduites multiples (chaque cylindre a sa conduite pour alimenter la turbine), Convertisseur d'impulsions (cylindres regroupés dans des collecteurs pour un flux unique vers la turbine) et Multi Pulse Converter (MPC).

V.2.4 Alimentation bi-turbo

• Système parallèle: Les deux turbocompresseurs sont identiques et fonctionnent en parallèle.
• Système en série: Les deux turbocompresseurs fonctionnent en série, l'un compresse l'air d'admission et le second turbocompresseur le comprime encore, permettant des niveaux de suralimentation plus élevés.

VI. Système de lubrification des roulements

VI.1. Roulement à billes (ball bearing)

• système d'alimentation en huile intégré pour la lubrification, équipé d'une pompe à engrenages autonome actionnée par l'arbre rotatif du turbocompresseur.
• Un carter d'huile indépendant est prévu pour capter et transporter l'huile du carter du turbocompresseur.
• Système indépendant, facile d'entretien et d'inspection. Inconvénients : Mauvaise lubrification au démarrage ou à faible vitesse, défaillance de la pompe, et coûts d'exploitation élevés.

VI.2. Roulement/palier de type manchon (sleeve bearing)

• L'emplacement des roulements est à l'intérieur de la pale du compresseur sur l'arbre.
• L'alimentation en huile du LO est disponible tant que la pompe à huile de lubrification fonctionne.
• Le système de pression fonctionne par gravité sur les navires marchands.
• Inconvénients : maintien de la lubrification pour toutes les plages de vitesse, complexité d'entretien, heures de travail élevées pour maintenance.

VI.3. Le joint labyrinthe (labyrinth seal)

• Les roulements sont séparés du compresseur et de la turbine par des joints labyrinthe.
• Le fluide perd de l'énergie lorsqu'il traverse ce chemin complexe de rainures, ce qui diminue sa pression et limite le flux de fuite d'un côté à l'autre.
• Empêche l'huile et les contaminants de pénétrer dans le compresseur, et la contamination de l'huile par les gaz d'échappement.

Testez vos connaissances sur la suralimentation des moteurs à combustion. Ce quiz aborde des concepts clés tels que le turbocompresseur, les gaz d'échappement et l'efficacité énergétique. Comprenez comment la suralimentation influence la puissance et les émissions polluantes des moteurs.