Moteur III - Cours de Suralimentation - ENSM - 2024-2025 PDF

École Nationale Supérieure Maritime Cours Moteur III Master 2: Mécanique Navale Enseignant: B. Amiri 2024-2025 Programme: ❖ I. Cycles théoriques. ❖ II. Diagrammes réels. ❖ III. La suralimentation. ❖ IV. La com...

École Nationale Supérieure Maritime Cours Moteur III Master 2: Mécanique Navale Enseignant: B. Amiri 2024-2025 Programme: ❖ I. Cycles théoriques. ❖ II. Diagrammes réels. ❖ III. La suralimentation. ❖ IV. La combustion. ❖ V. Bilan énergétique. ❖ VI. Turbine à gaz c CHAPITRE III La suralimentation. I. Introduction ❖ Les gaz d'échappement expulsés par les moteurs à combustion contiennent encore une quantité importante d'énergie thermique inutilisée. Énergie mécanique ~ 40 % Énergie injectée Perte aux parois ~ 30 % ~ 40 % Échappement Turbo ~ 30 % I. Introduction ❖ La suralimentation est une technique qui permet de récupérer cette énergie pour améliorer le rendement global du moteur. ❖ Cette technologie contribue non seulement à améliorer l'efficacité énergétique, mais aussi à réduire les émissions polluantes en optimisant 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, ce qui permet d'injecter plus de carburant et de générer ainsi une puissance accrue sans augmenter la taille du moteur. II. Le turbocompresseur (turbocharger) Le turbocompresseur (turbocharger) est un élément clé dans le processus de suralimentation des moteurs à combustion. Le turbocompresseur se compose essentiellement de deux parties : une turbine et un compresseur. Turbine To inlet Oil supply manifold housing To exhaust system Filtered air intake Turbine wheel Compressor wheel Compressor Exhaust gas housing inlet Central Oil return shaft II. Le turbocompresseur (turbocharger) Conception / coupe d’un turbocompresseur (ABB) Bâti sortie gaz Bâti air Bâti entrée gaz Filtre à air Roue turbine Roue compresseur II. Le turbocompresseur (turbocharger) Vue éclatée / principaux composants (ABB) Bâti sortie gaz Bâti air Filtre à air Bâti entrée gaz Distributeur Roue turbine Roue compresseur II. Le turbocompresseur (turbocharger) Position du turbocompresseur dans un moteur diesel marin. Air inlet: entrée d’air aspiré par le compresseur. Exhaust gaz outlet: sortie des gaz d’échappement refoulés par la turbine II. Le turbocompresseur (turbocharger) II. 1. La partie turbine La turbine reçoit les gaz d’échappement. Elle convertit l'énergie cinétique des gaz en énergie mécanique pour entraîner le compresseur. ❖ La turbine à gaz utilisée pour la suralimentation des moteurs à piston, sont soit centripètes, soit axiales. ▪ Turbine axiale ▪ Turbine centripète II. Le turbocompresseur (turbocharger) II. 1. La partie turbine A/ Turbine axiale ❖ Dans une turbine axiale, les gaz d'échappement traversent la turbine parallèlement à l'axe de rotation. Ce type de turbine est généralement utilisé pour les applications à haut débit. ▪ Turbine axiale. II. Le turbocompresseur (turbocharger) II. 1. La partie turbine B/ Turbine centripète ❖ Dans une turbine centripète, les gaz d'échappement pénètrent dans la turbine de manière radiale, c'est-à-dire perpendiculairement à l'axe de rotation, puis sont dirigés vers le centre de la roue de turbine (côté axe) ❖ Les turbine centripètes sont utilisées pour la suralimentation des moteurs de petites et moyenne puissance. Elles conviennent pour les applications à plus faible débit. ▪ Turbine centripète. II. Le turbocompresseur (turbocharger) II. 1. La partie turbine ❖ La volute a pour rôle de collecter et de canaliser les gaz d'échappement en provenance du moteur vers les pales de la turbine. Elle est conçue pour convertir l'énergie de pression des gaz en énergie cinétique en accélérant le flux des gaz. ❖ Le distributeur de la turbine (partie fixe), également appelé stator est chargé de diriger et d'accélérer les gaz d'échappement vers les pales de la turbine. ❖ Le changement de section entre l'entrée et la sortie du distributeur permet d'augmenter la vitesse des gaz et de diriger leur flux de manière optimale vers la turbine. II. Le turbocompresseur (turbocharger) II. 1. La partie turbine ❖ Les turbines à flux axial sont plus efficaces pour les grandes puissances. Elles sont généralement utilisés pour le moteur de propulsion principal. ❖ Les turbines à flux radial sont utilisées pour les moteurs auxiliaires (les générateurs). II. Le turbocompresseur (turbocharger) II. 2. La partie compresseur (soufflante) Le compresseur dans un turbocompresseur a pour rôle de comprimer l'air entrant avant qu'il ne pénètre dans les cylindres du moteur. ❖ En augmentant la pression de l'air, le compresseur permet de densifier l'air, c'est-à-dire de faire entrer plus d'oxygène dans les cylindres pour une même quantité d'air. Cela permet de brûler plus de carburant, ce qui génère une puissance supplémentaire du moteur sans en augmenter la taille. ❖ En conséquence, le compresseur améliore l'efficacité volumétrique du moteur, augmentant à la fois la puissance et les performances globales du moteur diesel. Full Blade Splitter Blade II. Le turbocompresseur (turbocharger) II. 2. La partie compresseur (soufflante) Le compresseur est constitué d’une roue mobile et un diffuseur (organe fixe). La mise en pression d’air est réalisé par: ▪ La roue du compresseur qui donne l’énergie cinétique à l’air. ▪ Le diffuseur qui a pour rôle de transformer l’énergie cinétique en pression. ▪ La volute de refoulement qui canalise l’air avant de le diriger vers le collecteur d’admission. II. Le turbocompresseur (turbocharger) II. 3. Refroidissement d’air d’admission ❖ Le refroidisseur d'air d'admission (air cooler) joue un rôle crucial dans le système de suralimentation des moteurs diesel marins. ❖ Lorsque l'air est comprimé par le compresseur du turbocompresseur, sa température augmente. Le refroidisseur d'air d'admission a pour rôle de réduire cette température avant que l'air ne pénètre dans les cylindres du moteur. II. Le turbocompresseur (turbocharger) II. 3. Refroidissement d’air d’admission ❖ L'air chaud sortant du compresseur passe à travers un réseau de tubes ou de plaques dans le refroidisseur, où il est refroidi par un fluide caloporteur (généralement de l'eau de mer ou un circuit d'eau douce réfrigéré). ❖ Le refroidissement de l'air d'admission augmente sa densité, ce qui permet de fournir plus d'air à chaque cycle de combustion. ❖ En refroidissant l'air d'admission, on augmente la quantité d'oxygène disponible pour la combustion. II. Le turbocompresseur (turbocharger) II. 4. Soufflante auxiliaire (Auxiliary Blower) ❖ Lors du démarrage d'un moteur diesel marin, le turbocompresseur ne peut pas fournir immédiatement la pression d'air requise en raison du faible débit des gaz d'échappement. ❖ La soufflante auxiliaire joue un rôle crucial en fournissant l'air nécessaire au démarrage et aux premières phases de fonctionnement du moteur. ❖ La soufflante auxiliaire assure une pression d'air d'admission stable lorsque le turbocompresseur n'est pas encore pleinement opérationnel. ❖ Cela permet d'éviter des problèmes tels que la combustion incomplète, la fumée noire, ou une perte de puissance. II. Le turbocompresseur (turbocharger) II. 4. Soufflante auxiliaire (Auxiliary Blower) ❖ Une fois que le moteur atteint une vitesse ou une charge où le débit des gaz d'échappement est suffisant pour faire fonctionner efficacement le turbocompresseur, la soufflante auxiliaire se désactive généralement ❖ La soufflante auxiliaire est une caractéristique spécifique aux moteurs diesel marins à deux temps uniquement. II. Le turbocompresseur (turbocharger) II. 4. Soufflante auxiliaire (Auxiliary Blower) ❖ Les soufflantes auxiliaires sont généralement contrôlées par un système automatique qui les active lorsque la pression d'air d'admission tombe en dessous d'un certain seuil et les désactive lorsque le turbocompresseur prend le relais. II. Le turbocompresseur (turbocharger) Schéma: installation du turbocompresseur dans un moteur Diesel marin 2 temps. II. Le turbocompresseur (turbocharger) II. 4. Soufflante auxiliaire (Auxiliary Blower) ❖ Certains systèmes utilisent une configuration où la soufflante auxiliaire aspire l'air après le refroidisseur d'air. ❖ Cette configuration garantit une alimentation en air frais et à la bonne température pour la combustion, même à faible régime. III. Le phénomène de pompage (surge) III.1. Définition ❖ Dans des conditions normales, le compresseur fonctionne à la droite de la ligne de pompage. ❖ L’effet du pompage (surge) apparait comme un phénomène limitant la caractéristique du compresseur. Taux de compression Caractéristiques du compresseur: le taux de compression en fonction débit. III. Le phénomène de pompage (surge) III.1. Définition Le pompage (surge) est un phénomène aérodynamique fondamental propre aux compresseurs dynamiques (axiaux ou centrifuges). C’est une instabilité de l'écoulement qui se produit lorsque le débit ou la pression disponible à l'aspiration sont insuffisants. Lorsque le pompage se produit, la pression de sortie du compresseur dépasse celle du système en aval. Cela provoque une inversion soudaine du débit. Le phénomène de pompage se manifeste par: Instabilité du débit transféré. Bruit, des vibrations excessives. Augmentation de la température au refoulement. Une telle situation peut conduire à: Des ruptures d’aubage sur les compresseurs axiaux, des dégâts mécaniques sur les étanchéités, les paliers,….etc. Une chute de rendement , diminution de la durée de vie du compresseur. III. Le phénomène de pompage (surge) III.2. Les causes du pompage Le phénomène de pompage dans un compresseur peut être causé par plusieurs facteurs, parmi lesquels : ❖ Changements brusques de la charge. Exemple: l'entrée d'un navire dans un fleuve. Ce type de situation peut entraîner une diminution rapide de la demande de puissance du moteur en raison des conditions de navigation plus calmes et de la réduction de la résistance. ❖ Diminution du débit d’air: les dépôts de suie et d'autres contaminants provenant des gaz d'échappement peuvent encrasser l'entrée de la turbine, ce qui réduit le débit de gaz. ❖ Filtres à air encrassés: des filtres à air sales ou obstrués réduisent le flux d'air entrant dans le compresseur. ❖ Augmentation de la pression maximale de combustion. ❖ Accumulation de résidus d'huile dans le compresseur. ❖ Refroidisseur d'air obstrué. III. Le phénomène de pompage (surge) III. 3. Dispositifs de contrôle de pompage Les systèmes automatiques de protection contre le pompage comportent au moins des vannes, de l’instrumentation de mesure et un système de commande. En cas de diminution du débit consécutif à l’augmentation du rapport de pression, ce dispositif a pour but : Soit d’augmenter artificiellement le débit traversant la machine. Soit de diminuer le rapport de pression. III. Le phénomène de pompage (surge) III. 3. Dispositifs de contrôle de pompage Pour prévenir le phénomène de pompage dans les moteurs diesel marins équipés de turbocompresseurs, plusieurs dispositifs anti-pompage (Anti- Surge Control (ASC)) sont utilisés : ❖ Vanne anti-pompage (Anti-Surge Valve) Cette vanne est spécialement conçue pour s'ouvrir lorsque le capteur détecte un risque de pompage, en relâchant une partie du flux d'air pour maintenir la stabilité du compresseur. III. Le phénomène de pompage (surge) III. 3. Dispositifs de contrôle de pompage ❖ Contrôle de la géométrie variable du compresseur (Variable Geometry Turbocharger - VGT) Dans les turbocompresseurs à géométrie variable, les pales du distributeur de la turbine peuvent être ajustées pour optimiser le débit d'air et la pression en fonction des conditions de fonctionnement du moteur. En ajustant la géométrie, on peut éviter les conditions de pompage en maintenant un flux d'air stable à faible régime moteur. IV. Efficacité énergétique La suralimentation a un impact significatif sur le cycle pression-volume (cycle P-V) d'un moteur, en particulier sur les moteurs diesel. L'effet principal est une augmentation de la pression d'admission, ce qui modifie plusieurs aspects du cycle thermodynamique du moteur. Diagramme P-V. IV. Efficacité énergétique ❖ Avant la compression: avec la suralimentation, l'air admis dans les cylindres est comprimé avant d'entrer dans le cylindre, ce qui augmente la pression initiale (pression d'admission) au début du cycle ❖ Compression plus efficace: l'augmentation de la pression d'admission signifie que, pour un même taux de compression, la pression maximale atteinte à la fin de la compression sera plus élevée. ❖ Pression maximale accrue: en raison de la plus grande quantité d'air comprimé dans le cylindre, plus de carburant peut être brûlé de manière efficace, ce qui augmente la pression maximale atteinte pendant la combustion. ❖ Augmentation du travail produit: la courbe de détente se situe à un niveau de pression plus élevé, ce qui signifie que le moteur peut produire plus de travail pour un même cycle. ❖ Changement de la courbe d’échappement: l'échappement commence à une pression plus élevée, ce qui peut nécessiter plus d'énergie pour expulser les gaz d'échappement, mais cette énergie est largement compensée par l'augmentation globale de l'efficacité du cycle. V. Méthodes d’alimentation de la turbosoufflante V. 1. Alimentation à pression constante ❖ Dans ce type d’alimentation à pression constante, les gaz libérés par chaque cylindre sont dirigés vers un collecteur unique, d'où ils atteignent la turbine sous une pression constante. ❖ Les gaz sont ensuite détendus à l'intérieur de la turbine à l'aide de tuyères et d'aubes de turbine. Ce type d’alimentation est préféré car il donne de bonnes performances à une charge constante. V. Méthodes d’alimentation de la turbosoufflante V. 1. Alimentation à pression constante Avantages: ▪ Simplicité du collecteur d’échappement. ▪ Bonne récupération de l’énergie (admission stable des gaz à l’entrée du turbo). ▪ 1 seul turbo quel que soit le nombre de cylindres. Inconvénients: ▪ Faible accélération du turbo lors des élévations de charge rapides. ▪ Le balayage n’est efficace qu’aux fortes charges. V. Méthodes d’alimentation de la turbosoufflante V. 2. Alimentation à impulsion de pression ❖ Dans ce type d’alimentation à impulsion, les gaz d'échappement se déplacent directement vers l'entrée de la turbine, à l'aide de la pression de la pulsation. ❖ De plus, les gaz d'échappement sont soufflés vers la buse et les pales du turbocompresseur lors de l'ouverture des soupapes d'échappement. V. 2. 1. Système à conduites multiples ❖ Dans un système à conduites multiples, les cylindres du moteur sont divisés en groupes, chacun alimentant une conduite distincte vers la turbine. Par exemple, dans un moteur à six cylindres, les trois premiers cylindres peuvent être regroupés pour alimenter une première conduite, tandis que les trois autres cylindres alimentent une seconde conduite. V. Méthodes d’alimentation de la turbosoufflante V. 2. Alimentation à impulsion de pression V. 2. 1. Système à conduites multiples Avantages: ▪ Récupération importante d’énergie (bouffée). ▪ Accélération rapide du turbo avec l’augmentation de la charge (peu de perte en charge). ▪ Balayage efficace à tous les régimes. Inconvénients: ▪ Mauvais rendement de la turbine dû au régime pulsatoire. ▪ Collecteurs complexes. ▪ Perturbations de fonctionnement dues aux différents parcours des collecteurs. ▪ Nécessité d’avoir 2 turbos à partir de 9 cylindres. V. Méthodes d’alimentation de la turbosoufflante V. 2. Alimentation à impulsion de pression V. 2. 2. Convertisseur d’impulsion ❖ Ce système regroupe les cylindres ayant le même écart d’allumage. Exemple: deux cylindres échappent dans le même collecteur (collecteur 1) et deux autres échapperont dans le collecteur 2. ❖ Ces deux collecteurs se réunissent dans un tube mélangeur à l’extrémité duquel un diffuseur débouche dans une cavité aménagé avant l’entré de la turbine. V. Méthodes d’alimentation de la turbosoufflante V. 2. Alimentation à impulsion de pression V. 2. 3. Multi Pulse Converter (MPC) ❖ Dans ce système à collecteur modulaire, chaque cylindre alimente un convertisseur d’impulsions relié à un collecteur unique de faible section; alimentant lui-même la turbine à pression sensiblement constante et admission totale. ❖ La présence de l’éjecteur à la sortie de chaque cylindre est nécessaire pour convertir aussi complètement que possible les bouffées d’échappement en vitesse. V. Méthodes d’alimentation de la turbosoufflante V. 2. Alimentation à impulsion de pression V. 2. 4. Alimentation bi-turbo (twin turbocharging) ❖ C’est une configuration de suralimentation qui utilise deux turbocompresseurs au lieu d'un seul pour améliorer les performances du moteur. Il existe plusieurs variantes de ce système: A/ Système parallèle Les deux turbocompresseurs sont de taille identique et fonctionnent en parallèle V. Méthodes d’alimentation de la turbosoufflante V. 2. Alimentation à impulsion de pression V. 2. 4. Alimentation bi-turbo (twin turbocharging) B/ Système en série ▪ Les deux turbocompresseurs fonctionnent en série, où l'un compresse l'air d'admission qui est ensuite encore compressé par le second turbocompresseur. Cela permet d'atteindre des niveaux de suralimentation extrêmement élevés. Gaz d’échappement L’air comprimé V. Méthodes d’alimentation de la turbosoufflante V. 2. Alimentation à impulsion de pression V. 2. 4. Alimentation bi-turbo (twin turbocharging) B/ Système en série VI. Système de lubrification des roulements ❖ Pour garantir les performances optimales d'un turbocompresseur, une lubrification et un entretien appropriés des roulements sont essentiels. ❖ Le frottement des roulements est l'une des principales causes de perte d'énergie dans les turbocompresseurs et doit être maintenu aussi bas que possible pour maintenir l'efficacité. ❖ Les roulements du turbocompresseur doivent supporter des pièces rotatives lourdes, et la charge lorsque le moteur est en marche. VI.1. Roulement à billes/ rouleaux (ball/ roller bearing) Dans ce type, les roulements sont situés à l'extérieur de la turbine rotative et de la pale du compresseur sur l'arbre. ❖ Les roulements ne nécessitent pas le retrait de la roue du compresseur, ce qui élimine les efforts physiques et les temps pénibles, en particulier avec des poids d'arbre importants. Ils sont facilement accessibles pour l'entretien et la maintenance. VI. Système de lubrification des roulements VI.1. Roulement à billes (ball bearing) ❖ Le roulement à billes et à rouleaux utilise un système d'alimentation en huile de lubrification intégré pour la lubrification, c'est-à-dire qu'il est équipé d'une pompe à engrenages autonome actionnée par l'arbre rotatif du turbocompresseur fourni côté soufflante et côté turbine. VI. Système de lubrification des roulements VI.1. Roulement à billes (ball bearing) ❖ Un carter d'huile indépendant est prévu des deux côtés du carter du turbocompresseur et la pompe aspire l'huile du carter. ❖ Un voyant (sight glass) est prévu dans le boîtier avec un repère de niveau d'huile maximum/minimum (l'huile doit être renouvelée à intervalles réguliers) VI. Système de lubrification des roulements VI.1. Roulement à billes (ball bearing) ❖ Comme la pompe est située à l’extrémité de l’arbre, l’inspection et l’entretien sont faciles. ❖ Le système est indépendant (self lubrication). Inconvénients: ❖ Mauvaise lubrification au démarrage ou à faible vitesse. ❖ Une défaillance de la pompe connectée endommagera gravement le turbocompresseur. ❖ Coûts d’exploitation et de maintenance élevés (durée de vie limitée de la pompe, l'huile doit être changée régulièrement,…etc). VI. Système de lubrification des roulements VI.2. Roulement / palier de type manchon (sleeve bearing) Dans ce type, l'emplacement des roulements se trouve à l'intérieur de la turbine rotative et de la pale du compresseur sur l'arbre. ❖ L'alimentation du LO est disponible tant que la pompe à huile de lubrification principale fonctionne, c'est-à-dire indépendamment du fonctionnement ou de l'arrêt du Turbocompresseur. VI. Système de lubrification des roulements VI.2. Roulement / palier de type manchon (sleeve bearing) ❖ Le système de lubrification d'un turbocompresseur à paliers lisses peut être intégré au système moteur principal ou être indépendant. ❖ La lubrification est efficace pour toutes les plages de vitesses. ❖ L'huile de lubrification sert bien au refroidissement des paliers. ❖ Le système de pression par gravité est généralement utilisé sur les navires marchands. La hauteur du réservoir par gravité est suffisante pour produire un approvisionnement continu en huile aux paliers du turbocompresseur et la capacité doit être telle que les paliers ne soient pas endommagés en cas de panne des pompes à huile de lubrification. ❖ Les réservoirs à gravité doivent avoir une capacité qui permettra aux turbocompresseurs de fonctionner pendant environ 15 minutes. VI. Système de lubrification des roulements VI.2. Roulement / palier de type manchon (sleeve bearing) Inconvénients: ❖ Complexité de l’entretient: pour accéder aux roulements, le rotor doit être retiré. ❖ Les heures de travail pour la révision du roulement sont plus élevées que celles des roulements sortants ❖ La lubrification empêche les frottements et l’usure, ce qui permet aux roulements de durer plus longtemps. ❖ Les lubrifiants doivent résister aux températures élevées, éviter la rouille et ne pas réagir avec les pièces du turbocompresseur. VI. Système de lubrification des roulements VI.3. Le joint labyrinthe (labyrinth seal) ❖ Les roulements sont séparés du compresseur et de la turbine par des joints labyrinthe. ❖ Le joint labyrinthe est composé de plusieurs rainures ou "dents" concentriques, disposées de façon à former un chemin complexe pour le fluide. ❖ En traversant ce chemin, le fluide (comme l'air comprimé, gaz d’échappement ou l'huile) perd de l'énergie à chaque détour, ce qui diminue sa pression et limite la quantité qui peut fuir de l'autre côté. VI. Système de lubrification des roulements VI.3. Le joint labyrinthe (labyrinth seal) ❖ Ces joints empêchent l'huile de pénétrer dans le compresseur et la contamination de l'huile par les gaz d'échappement. ❖ L'emplacement des joints labyrinthes dans un turbocompresseur dépend de la configuration du système de lubrification des roulements. ❖ La figure ci-dessus montre l’emplacement des joints labyrinthe dans un système à lubrification par palier. VI. Système de lubrification des roulements VI.3. Le joint labyrinthe (labyrinth seal) L’emplacement des joints labyrinthes dans un système à lubrification indépendant (roulement à billes). Fin du chapitre III