Le choix d'un turbocompresseur se fait sur les cartographies de compresseur et de turbine du constructeur. Ces cartographies sont mesurées au banc d'essai dans des conditions d'écoulement stationnaire.
Dans un moteur réel, l'écoulement qui parvient à la turbine n'est pas stationnaire : une impulsion de pression arrive à chaque ouverture de soupape d'échappement. Au fil du cycle, la turbine parcourt différents points de la cartographie, et la moyenne sur le cycle diffère de ce que donne un point unique.
L'écart est marqué sur les petits moteurs et en particulier à bas régime.
Le temps de réponse du turbo est un problème d'inertie
À l'ouverture des gaz, la turbine n'accélère pas immédiatement : le moment d'inertie de l'ensemble tournant attend que l'énergie d'échappement s'établisse. Le retard est directement proportionnel à l'inertie — des ensembles tournants petits et légers répondent vite mais limitent la capacité à haut régime.
C'est un arbitrage classique, et le travail du calcul est de le chiffrer.
Ne pas négliger le côté thermique
Le carter de turbine travaille à la température d'échappement et le carter de compresseur relativement froid ; les deux sont fixés au même carter central. La région des paliers se trouve entre les deux et la température d'huile est un critère critique — la surchauffe cokéfie l'huile et met fin à la vie du palier.
C'est un problème conjugué : le côté gaz, le métal et le circuit d'huile doivent être résolus ensemble. Quand le moteur s'arrête, le refroidissement s'arrête aussi, et la température monte brièvement (heat soak) ; ce transitoire doit être examiné à part. Voir la note stationnaire ou instationnaire.
Modélisation
La limite de pompage côté compresseur. Voir la note sur le pompage.
Écoulement pulsé côté turbine. Un calcul stationnaire reproduit la cartographie ; le comportement sur le cycle exige des conditions aux limites instationnaires.
La géométrie de volute. Les volutes de turbine comme de compresseur brisent l'uniformité circonférentielle ; un modèle périodique à canal unique ne peut pas voir cet effet.
Références
- Menter, F. R. (1994). Two-equation eddy-viscosity turbulence models for engineering applications. AIAA Journal, 32(8), 1598–1605. DOI: 10.2514/3.12149
- Shah, R. K. & Sekulić, D. P. (2003). Fundamentals of Heat Exchanger Design. John Wiley & Sons. DOI: 10.1002/9780470172605