Les turbos twin-scroll

23/10/2012 at 23:31 , , , ,

Au programme aujourd’hui, la suralimentation sur les moteurs Essence et plus particulièrement les turbo-compresseurs dits twin-scroll. En français, ça donnerait quelque chose comme double-volute.

Si vous souhaitez, vous trouverez quelques informations de base sur la suralimentation et les turbo-compresseurs ici.

Un turbo twin-scroll ça ressemble à quoi ?

A gauche un turbocompresseur twin-scroll / A droite son collecteur associé

Pour résumer rapidement le fonctionnement d’un turbo-compresseur : on vient détendre (baisse de pression et de température) les gaz brûlés issus de la combustion dans une turbine. Le fait de détendre ces gaz permet de faire tourner la turbine. Le compresseur est entraîné par l’axe de la turbine et comprime l’air frais. Souvent associé à un échangeur (appelé intercooler) qui permet de réduire la température de l’air comprimé, le turbo-compresseur permet d’augmenter la masse volumique de l’air, c’est à dire la masse d’air qui est enfermée dans la chambre de combustion lors de la phase d’admission. Plus on a une masse d’air importante enfermée, plus on peut brûler de carburant donc plus on peut faire de couple.

Bon, ça c’est pour le fonctionnement basique d’un turbo-compresseur.

Regardons maintenant du côté de l’échappement d’un moteur. L’ordre d’allumage le plus courant pour un moteur 4 cylindres en ligne est 1-3-4-2. C’est à dire que la combustion a lieu dans le cylindre 1, puis dans le 3, puis dans le 4 et pour finir dans le 2.

On garde en tête les 4 temps du cycle moteur : admission – compression – combustion/détente – échappement. Ces 4 temps se déroulent en 2 tours (720°) du vilebrequin : 1/2 tour pour chaque temps.

Dans la réalité, l’organisation est un peu plus complexe que ça. Pour décrire les lois admission et échappement on peut utiliser un diagramme de distribution comme celui-ci (c’est un exemple) :

On tourne dans le sens des aiguilles d’une montre (ne pas suivre la flèche « sens de rotation ») et on remarque donc que :

– la soupape d’admission s’ouvre avant le point mort haut (PMH) : c’est l’avance à l’ouverture admission (AOA)

– la soupape d’admission se ferme après le point mort bas (PMB) : c’est le retard à la fermeture admission (RFA)

– la soupape d’échappement s’ouvre avant le PMB : c’est l’AOE

– la soupape d’échappement se ferme après le PMH : c’est le RFE

Je ne détaille pas ici le rôle des AOA, RFA, AOE et RFE : considérons juste qu’ils sont présents pour optimiser le remplissage et la vidange des cylindres.

Ce qui nous intéresse le plus est l’AOE et le RFE : les soupapes d’échappement s’ouvrent donc plus tôt que la théorie et se ferment également plus tard.

Si l’on considère ces modifications et que l’on reprend le graphique représentant les différents temps moteur pour les 4 cylindres, quelques problèmes commencent à se poser :

– la soupape d’échappement du cylindre 2 est encore ouverte (RFE) alors que la soupape d’échappement du cylindre 1 s’ouvre (AOE)

– la soupape d’échappement du cylindre 1 est encore ouverte (RFE) alors que la soupape d’échappement du cylindre 3 s’ouvre (AOE)

– la soupape d’échappement du cylindre 3 est encore ouverte (RFE) alors que la soupape d’échappement du cylindre 4 s’ouvre (AOE)

– la soupape d’échappement du cylindre 4 est encore ouverte (RFE) alors que la soupape d’échappement du cylindre 2 s’ouvre (AOE)

On a donc les interactions suivantes :

– le cylindre 1 avec le 2 et le 3

– le cylindre 2 avec le 1 et le 4

– le cylindre 3 avec le 1 et le 4

– le cylindre 4 avec le 2 et le 3

On comprend donc que pour éviter toute interaction entre les différents cylindres, on peut séparer les cylindres et les grouper de la façon suivante :

le cylindre 1 avec le 4

le cylindre 2 avec le 3

C’est exactement ce qu’on fait lorsqu’on utilise un twin-scroll. On récupère les gaz d’échappement des cylindres 1 et 4 dans une partie du collecteur et ceux des cylindres 2 et 3 dans une autre. Comme sur le schéma ci-dessous :

Mais qu’est ce qui se passe quand on ne sépare pas les cylindres et que les interactions ont lieu ?

La phase d’échappement a, comme son nom l’indique, pour objectif de vider le cylindre des gaz brûlés issus de la combustion. Cet échappement, ou vidange, ne se fait pas aussi facilement qu’on pourrait le croire. On essaye de profiter d’une pression encore légèrement élevée pour « expulser » les gaz d’échappement en dehors de la chambre (lors de l’ouverture à l’AOE) et on essaye d’utiliser l’inertie pour vider au maximum la chambre (lors de la fermeture au RFE).

Si les phases d’échappement de deux cylindres se chevauchent, on va avoir une onde de pression générée par un cylindre (à l’AOE) qui va se propager vers l’autre cylindre (avant le RFE). Le résultat : l’onde de pression empêche le second cylindre de se vider correctement et/ou fait retourner des gaz brûlés dans la chambre de combustion.

Qu’est ce qui se passe si on ne vide pas correctement la chambre de combustion ? Les gaz brûlés, qui sont chauds, occupent un volume non négligeable. C’est un volume qui ne pourra pas être occupé par de l’air. Qui dit moins d’air, dit moins de carburant à brûler et donc moins de couple. De plus, le fait d’avoir des gaz brûlés résiduels entraîne une sensibilité au cliquetis plus importante, et donc une diminution du couple (si vous ne savez pas ce qu’est le cliquetis je vous renvoie vers cet article).

Lorsqu’on est face à un moteur suralimenté (enfin principalement) on peut également avoir recours à ce que l’on appelle le balayage. Le balayage,c’est le fait d’avoir les soupapes d’échappement et d’admission ouvertes en même temps. Si l’on a une pression admission supérieure à la pression échappement, l’air va directement passer de l’admission à l’échappement, et venir emporter sur son passage les gaz brûlés. C’est du propre et ça fonctionne plutôt bien pour vider au maximum la chambre.

Malheureusement, la condition « pression admission > pression échappement » est indispensable à un bon balayage. Si l’on a des interférences entre les cylindres, elle peut être inversée et ça ne fonctionne plus.

Autre chose si des interférences ont lieu et que des ondes de pression se propagent d’un cylindre à un autre, c’est de l’énergie perdue et qui ne sera pas récupérée par la turbine. En séparant les cylindres, un collecteur d’échappement twin-scroll permet de récupérer plus d’énergie sur la turbine qu’un collecteur traditionnel : c’est bien pour la puissance et pour lutter contre le turbo lag (phénomène de mise en route du turbo).

En résumé, le twin-scroll (bien noter que c’est l’association d’un collecteur et d’une turbine) permet de :

– améliorer la vidange des cylindres : phase d’échappement « traditionnelle » + balayage

– réduire les risques de cliquetis

– récupérer plus d’énergie sur la turbine et donc augmenter la pression de suralimentation

Toutes ces améliorations autorisent une augmentation des performances notamment pour les faibles régimes moteurs.

Ou peut-on trouver des moteurs équipés de turbo-compresseurs twin-scroll ?

– chez PSA/BMW sur le fameux 1,6 THP

– chez BMW, sur des 6 en ligne (moteur N55 qui équipe les 135i, 335i, …)

– encore chez BMW, sur des V8 (S63, qui équipe notamment la dernière M5)

– chez Mitsubishi sur les Lancer Evolution depuis la Evolution IV en 1996

– et d’autres…

Dernière question, pour voir si vous avez bien suivi : avec l’arrivée des moteurs 3 cylindres suralimentés, va-t-on voir arriver des 3 cylindres twin-scroll ? 😉

La réponse est non pour la raison suivante :

Dans un moteur 4 cylindres, on a une combustion tous les (4*180)/4 = 180° car 4 temps, 1 temps = 180° et 4 cylindres.

Dans un moteur 3 cylindres maintenant, on a une combustion tous les (4*180)/3 = 240°

Lorsque l’on regarde le schéma ci-dessous, ce décalage a pour effet de séparer les phases entre les différents cylindres. On a en effet vu précédemment que, pour un moteur 4 cylindres, le début de l’échappement d’un cylindre coincide avec la fin de l’échappement d’un autre cylindre. Pour un moteur 3 cylindres, on a une marge de 60°. On dit que le moteur 3 cylindre a une capacité naturelle a balayer les gaz d’échappement : il n’y pas de risque d’avoir une surpression à l’échappement qui proviendrait d’un autre cylindre et donc pas besoin d’un collecteur et d’un turbo twin-scroll.

Illustrations : wikipedia.fr, bimmerfile.com, BMW, PSA, performancespecialties.files.wordpress.com, all-peugeot.the-up.com

26 Comments

  • laviestunjeu

    Pour le 3 cylindres , si j’ai a peu près compris, il faut un nombre pair de cylindres pour le twinscroll donc je dirais que c’est impossible?

    • C’est une partie de la réponse oui mais c’est surtout le fait que l’on ai plus de marges entre les différentes phases des 3 cylindres : voir ce que j’ai ajouté à la fin de l’article !

  • remino2003

    Jai une question???
    Avec le twin scroll, une fois les gaz d’echapemment évacués, arrivent ils avec la meme température dans le turbo? Car si les T sont diffférentes, alors la pression varie et on crée une delta P dans le turbo non?

    • On a la même problématique avec un turbo « single » scroll : la température et la pression des gaz d’échappement dépend de la distance entre la sortie de la culasse et la turbine. Si un cylindre est plus éloigné qu’un autre, on peut en effet avoir une température moindre et donc une énergie récupérée moindre. On peut également avoir des différences d’acoustique. Idéalement, la longueur des différentes tubes du collecteur d’échappement devrait avoir la même longueur. Ca se fait, mais anecdotiquement et pour des applications bien précises. En série, on voit plus des collecteurs dits « râteaux » qui récupèrent les gaz d’échappement dans un gros volume. Même si ce n’est pas parfait, ce type de système a tout de même le mérite d’être au plus près de la chambre de combustion et de récupérer un max d’énergie !

      • remino2003

        ça m’est revenu après!!! en sport auto, les échappment des cylindres font des « méandres » justement pour avoir tous la meme T en sortie!

  • remino2003

    Sinon, article génial (comme d’hab). Pour le 3 cylindres, le calage des villebrequins est différent d’unn 4 cylindres je pense, donc il doit bien avoir 2 cylindres dans le meme cycle, donc oui pour mois ça peut etre « adapté ».
    Je le mets entre guillemet car je pense tjs à mon pblm de pression, surtt si on collecte 2 echappement de cylindres d’un coté et 1 seul de l’autre.

  • remino2003

    Décidemment je tchatche ce soir :
    – les 5 cylindres turbo de Ford ont il le twin scroll aussi??
    – Quid des moteurs rotatifs? Ou plutot feu les moteurs rotatifs

  • Pas de problème, ca veut dire que ça t’intéresse !
    Pas de TwinScroll sur des 5 cylindres en série.. Théoriquement, je pense que ça peut fonctionner mais c’est peut-être plus difficile dans la pratique.

    Niveau suralimentation des moteurs rotatifs, je dois avouer que je ne suis pas au top niveau. J’essayerai de me renseigner, peut-être pourra-t-on en parler ultérieurement ?!

    • remino2003

      Avec plaisir!!! Le moteur rotatif est pour moi l’extra terrestre du monde auto, le truc qui « marchera jamais » et qui pourtant fonctionne!

  • gwenael BROCHARD

    Bonjour,
    Je trouve votre article assez bien écrit hors mis quelques petites erreurs :

    – la soupape d’échappement se ferme après le PMH : c’est le RFA => c’est RFE mais je pense juste une faute de frappe.

    Et a la fin aussi vous dites qu’il y a une explosion tous les 90° pour un moteur 4 cylindres. c’est vrai que pour le deux temps. en 4 temps normal c’est 180°

    Dans un moteur 4 cylindres, on a une combustion tous les (4*90)/4 = 90° car 4 temps, 1 temps = 90° et 4 cylindres.

    Autrement c’est vraiment bien décrit quand meme. car j’ai rarement vu des infos aussi bien détaillés. A noter pour ceux qui veulent apprendre beaucoup il y a aussi auto innovations

    • Merci pour votre remarque et vos commentaires. C’est tout a fait juste et je vais corriger ces quelques coquilles !

  • zibus

    Bonjour,

    (Merci pour l’article!)
    Le problème de gène entre cylindre existe aussi sans turbo, non?
    Les collecteurs d’échappement sont-il séparés en deux aussi?

  • Aure

    Bonjour,
    Article très intéressant! Merci!
    Sur des diesels la plupart des turbos sont en géométrie variable, est-ce qu’il en existe sur des essences? Si non je ne comprend pas pourquoi?

    • Bonjour, merci à vous ! Il en existe sur les moteurs Essence mais c’est très rare (on en trouve chez Porsche par exemple). La raison principale est le coût de cette technologie qui est prohibitif sur les moteurs Essence : en effet, les gaz d’échappement sont beaucoup plus chauds en essence et le turbo est donc soumis à des contraintes thermiques bien plus élevées que sur un Diesel. Il en résulte des matériaux et une conception plus complexes à mettre en oeuvre.

  • Sam

    Vos articles sont fabuleux, dommage que ce bloc soit laissé à l’abandon…

  • Bonjour,

    Totalement d’accord avec le message précédent, vos articles sont passionnants ! Dommage de ne plus vous retrouver ici, car comme ici c’est vous qui écrivez les articles pas besoin de faire le tri, tous les articles sont de haut niveau! Et parfois les discussions dans les commentaires les surpassent! Je n’ai jamais vu ça sur d’autres blog 😉

    Au plaisir de vous lire !

  • GOTTHOLD Pierre

    Avec une BMW 316 i turbo twinscroll, peut-on faire frein moteur avec le régulateur sans risquer d’endommager le turbo ?
    Exemple: Je roule à 110 km/h sur une voie rapide, elle se termine et je mets deux coups de pouce sur le régulateur pour réduire à 90 km/h. Le turbo est-il toujours bien lubrifié ?

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