Turbo à Géométrie Variable : qu’est-ce que c’est ?

Le Turbo à Géométrie Variable:

Dans le cas présent, il s’agit d’un turbo de marque GARRETT qui équipe notamment  les voiture du groupe VAG .

Le but d’un turbocompresseur étant déjà expliqué, je vais m’attacher ici à préciser le but et le principe de fonctionnement du turbo à géométrie variable.

Photo n° 1 – Source VAG-Eng

Cette conception est née du problème rencontré dans les turbos d’ancienne génération dits

« classiques » : En effet, avec les turbos classiques, la vitesse de rotation de la turbine d’échappement est étroitement liée au débit des gaz d’échappement.

Lorsque le régime moteur est bas, la turbine tourne doucement. Il faut attendre que le régime moteur soit à un niveau suffisamment élevé pour qu’une certaine vitesse de rotation soit atteinte par la turbine d’échappement, laquelle vitesse permet à un moment donné à la turbine située côté admission (appeléecompresseur*) de « gaver » l’admission.

* : Terme usité mais à ne pas confondre avec un autre système de suralimentaiton distinct du turbo et dénommé « compresseur ».

L’effet de ce genre de turbo étant surtout ressenti à moyen et haut régime, les ingénieurs ont donc planché afin de rendre un turbo efficace également à bas régime. Ainsi est née la géométrie variable.

– Principe fondamental

Il convient avant tout de bien comprendre le principe fondamental liant pression et débit. Un petit dessin valant mieux que mille explications :

Dessin n° 1 – Source VAG-Eng

Sur ce dessin, le meunier dévie le cours d’eau vers la roue à aubes. En agissant ainsi,

il concentre toute l’énergie du courant vers les aubes. Sa roue va donc tourner plus vite. S’il remet la porte en position initiale de repos, la force du courant sera alors partagée entre sa roue à aube et le canal parallèle. La roue tournera moins vite.

Autre exemple : Un tuyau d’arrosage.

Vous ouvrez le robinet à fond (débit X), un jet s’écoule à la pression Y.

Vous mettez à présent un réducteur au bout du tuyau (votre doigt par exemple) et ouvrez le robinet de la même manière, le jet portera plus loin.

Le volume étant constant, si S (section) diminue, alors P (pression) augmente. Illustration :

Schéma n° 1 – source VAG-Eng

Ceux désireux d’effectuer la démonstration mathématique sont les bienvenus.

– Mise en évidence du principe :

En sortant des cylindres, les gaz d’échappement vont être dirigés vers la tuyère du turbo. Celle-ci est en forme d’escargot dont le diamètre du conduit se réduit progressivement. Le but étant de concentrer progressivement le débit des gaz vers les aubes.

Photo n° 2 – Source VAG-Eng

Photo n° 3 – Source VAG-Eng

Les gaz vont donc traverser les aubes et venir buter sur les pales de la turbine d’échappement et la faire tourner. La forme de cette dernière permet de recevoir les gaz et

de les évacuer perpendiculairement à leur sens d’arrivée en direction du pot d’échappement.

Photo n°4 – Source VAG-Eng

Suivant leurs inclinaisons, les aubes vont modifier la section de passage des gaz. Souvenez-vous du tuyau d’arrosage !

Là aussi, un schéma sera bien plus explicite :

Schéma n° 2 – Source : VAG Eng

Dans le schéma de gauche, l’angle est très fermé. Les gaz vont passer dans un conduit réduit et vont donc être canalisés puissamment vers les pales de la turbine d’échappement.

Dans celui de droite, l’angle est assez ouvert. Les gaz passent dans un conduit plus large avant de frapper les pales.

À bas régime, les aubes sont dans la position du schéma de gauche. Malgré le faible débit

des gaz sortant du moteur, le « jet » de gaz est déjà puissant. Ceci a pour effet d’offrir une vitesse de rotation suffisammment élevée pour que de son côté le compresseur assure un gavage du moteur quasi instantané et ce, à la moindre sollicitation de la pédale d’accélérateur.

Le moteur quant à lui ne prend pas pour autant des tours/min puisque c’est la quantité de carburant qui pilote tout (le diesel fonctionne en excès d’air).

À la différence des turbos « classiques », la moindre sollicitation de l’accélérateur à bas régime est immédiatement traduit par un gavage des cylindres

À haut régime, les aubes sont dans la position du schéma de droite. Le débit général des gaz est suffisamment puissant pour entraîner la turbine à la vitesse nécessaire de gavage. Il n’est donc pas utile d’augmenter la pression par une fermeture d’angle des aubes.

En fait, il est heureux que l’angle puisse s’ouvrir car, dans le cas contraire, on se retrouverait rapidement avec une surpression terrible dans le conduit d’admission.

– Mécanique de la géométrie variable :

Sur le schéma ci-après, vous pouvez voir les différentes pièces en présence :

Schéma n°3 – Source : VAG-Eng

– Problèmes rencontrés sur ce genre de turbo :

Contrairement à ce que l’on pourrait penser, ils ne sont pas si nombreux que cela et sont assez précisément ciblés.

En premier lieu, si l’on prend la précaution de ne pas solliciter le turbo lorsque le moteur est froid, les paliers du turbo seront toujours correctement lubrifiés. Dans le cas contraire, l’huile n’aura pas le temps de monter aux paliers d’un turbo inutilement sollicité.

C’est la raison pour laquelle le constructeur demande de mettre une huile plus fluide par rapport aux diesels sans Turbo.

De la même manière, si on prend soin de ne pas couper le moteur après une phase de haut régime moteur, le turbo ne continuera pas à tourner rapidement sans lubrification.

Photo n° 5 – Source VAG-Eng

En adoptant ces principes, il y a de fortes chances que le turbo ait une durée de vie équivalente à celle du véhicule. Bien évidemment, tout cela suppose aussi l’utilisation de l’huile moteur préconisée mais çà, j’imagine que tout le monde est sensibilisé à ce respect.

Le problème récurrent se situe dans l’encrassement du mécanisme de rotation des aubes. La suie mêlée aux gaz d’échappement peut, en effet au fil du temps, se cokéfier, former une calamine et bloquer les aubes, le plateau d’entraînement ou les différentes articulations afférentes.

Il s’ensuit, si les aubes sont coincées en position « ouvertes », un manque de puissance à bas régime (les aubes ne se ferment plus et il est impossible d’avoir ce fameux « jet »).

Si elles se coincent en position « fermées », la pression sera donc très importante à haut régime et dépassera la valeur admissible par le moteur. Le calculateur sera informé de cette surpression via le capteur de pression de suralimentation G72 (lien à venir) et ordonnera alors une mise en « sécurité » du moteur (limitation du débit d’injection du carburant à une valeur par défaut déterminée à l’avance). Vous conduirez alors un veau dépassant péniblement les 3000 trs/mn.

Vous retrouverez la puissance dès lors que vous aurez stoppé le moteur quelques secondes puis redémarré. En effet, couper le contact équivaut à faire une remise à zéro (ou « reset

») du défaut ; Le moteur prend de nouveau les tours jusqu’à que vous arriviez à nouveau en surpression. Là, rebelote : signal du capteur de pression de suralimentation, calculateur, position « sécurité ».

Je le précise de suite : Ces phénomènes ne sont pas aussi radicaux. Les aubes peuvent aussi se coincer dans une position intermédiaire. Il peut arriver également que la calamine, pas encore totalement fixée, vienne seulement perturber de manière aléatoire le système de géométrie variable.

Quoiqu’il en soit, le problème se situe là.

Quelles en sont les causes ?

Et bien elles sont diverses :

• moteur utilisé trop souvent à bas régime : Le système de géométrie ne bouge pas suffisamment sur sa plage de mouvement possible, la calamine s’installe plus facilement. (C’est comme le corps humain : Même en vieillissant, il faut le bouger sinon il rouille et se raidit).
• Avance incorrecte : le moteur dégage en permanence trop de fumées, la vanne EGR est contrainte d’en absorber excessivement lorsqu’elle est ouverte
• Système EGR défaillant : le moteur absorbe –et donc rejette – trop de fumées.

Il existe probablement d’autres causes possibles mais celles que je viens d’énoncer figurent parmi les plus courantes.

Si certains parmi vous ont connaissance d’autres causes avérées, qu’ils s’expriment sans retenue.

– Qui commande la géométrie variable ?

Ne connaissant pas le fonctionnement général de toutes les voitures à ce niveau, je prendrai pour exemple le cas de la mienne (Audi A4 Tdi).

En premier lieu, nous trouvons le calculateur puis l’électrovanne de pression de suralimentation N 75 (lien à venir) et enfin la vanne de pression de suralimentation.

L’électrovanne reçoit un signal électrique en provenance du calculateur. Suivant ce signal, elle régule en conséquence la quantité d’air aspirée par la pompe à vide.

Cette électrovanne est reliée à la vanne de pression de suralimentation par une durite dans laquelle circule donc de l’air aspiré.

Le fonctionnement de cette vanne est assez simple.

Photo n° 6 – Source VAG-Eng

Dans la capsule, nous trouvons une membrane que l’on peut assimiler à un clapet, un ressort de rappel et une tige de commande.

Suivant l’action de la N75, une quantité d’air est + ou – aspirée. En fonction du degré d’aspiration, la tige monte ou descend. Comme cette dernière est reliée au mécanisme de la géométrie variable…vous devinez la suite.

Une défaillance de cette vanne influe donc sur le comportement du turbo et par conséquent sur la puissance du moteur.

La panne classique sur cette vanne réside souvent dans le défaut d’étanchéité de la membrane. En effet, si celle-ci n’est plus étanche, l’action de dépression ne pourra se réaliser (ou mal) et la tige ne pourra pas monter (ou pas assez).

J’ai vérifié in situ le mouvement de la tige de commande : Effectivement, suivant le régime moteur, la tige sort intégralement, peu ou pas de la vanne.

Pour répondre à la question initiale, la vanne n’est donc pas seule à commander la géométrie variable. Intégrée dans une chaîne de commande, elle en est le dernier maillon.

– Le rapport entre Niveau de dépression et Régime moteur :

Nombreux sont ceux qui se posent la question de savoir à quel niveau de dépression correspond la position des aubes et donc, le régime moteur.

En comparant les deux photos et schémas ci-après, vous remarquerez que l’inclinaison des aubes est différente.

Sur la première, bien qu’on ne la voit pas, la tige est sortie. Les aubes sont en position « ouvertes ».

Ce sont leur position lorsque le moteur est à moyen et haut régime.

C’est aussi la position des aubes lorsque le calculateur a ordonné une mise en « sécurité » (voir post sur N75) mais également lorsque le moteur est à l’arrêt.

Photo n° 7 – Source VAG-Eng

Schéma n°4 – Source : VAG-Eng

Sur la deuxième, la tige est rentrée, les aubes sont en position « fermées ». Il s’agit de leur position lorsque le régime moteur est bas. La dépression est exercée au maximum.