Les mystères du turbo GV du 3.0Di expliqués

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Dans la série "les mystères expliqués" ,  et comme c'est le déluge dans le Sud-Est, je viens partager avec vous le résumé d'un an de découvertes et d’apprentissage(s) du fonctionnement du turbo à géométrie variable de notre bon vieux 3.0Di, et surtout de son réglage.

Tout d’abord, en usine, ce turbo est réglé pour une pression maxi ‘standard’, avec une vanne EGR en fonction. Dès qu’on s'éloigne de la configuration d’usine, les ennuis commencent, et si on touche sans savoir ni comprendre ce qu’on fait, alors c’est pire que mieux, et on peut en arriver même à avoir de la casse.

Le turbo a "géométrie variable" (GV), contrairement à son cousin à géométrie “fixe”(GF), permet de démarrer plus vite en bas des tours, en faisant varier la géométrie des ailettes de la turbine de sortie, celle entrainée par les gaz d’échappement, qui elle même entraine la turbine qui se trouve sur le chemin de l’air admis, et le propulse donc plus fortement dans l’admission, augmentant donc le volume d’air.

Comme l’admission a un volume constant ( le tuyau en sortie du turbo, l’Intercooler, et la tuyauterie derrière jusqu’au collecteur d’admission, la pression de l’air dans l’admission monte. Cette pression se régule en modifiant le niveau d’ouverture ou de fermeture des fameuses aubes.

Pourquoi, lorsque les tuyaux de vide sont fissurés, ou que l’électrovanne ne fonctionne plus, ou même l’actuateur, le turbo ne remplit plus son rôle ?

Tout simplement parceque au repos le ressort de l’actuateur pousse le levier des aubes en mode ‘ouverture maxi’, et le turbo ne fonctionne  alors que très haut dans les tours, et très mal car le rendement est mauvais lorsque les aubes sont totalement ouvertes. Et d’ailleurs, heureusement que cela ne fonctionne pas dans l’autre sens, car si, en cas de panne, les aubes restaient fermées, alors la pression monterait au plafond.

L’erreur principale a ne pas commettre avec un turbo à GV, c’est de vouloir de la pression à tout prix, au détriment du volume d’air lui-même, et de son débit. Ce qui compte, c’est surtout la valeur du débitmètre (MAF – Mass Air Flow) qui mesure le volume d’air qui lui passe dessus. C’est cette valeur que l’ECU surveille en permanence pour décider du volume de gasoil à faire injecter par la pompe.

Alors comment peut-on en arriver à avoir une belle pression et un débit faible ?

C’est le principe de votre tuyau d’arrosage. S’il est percé, vous avez une pression d’enfer au niveau du trou, mais un débit ridicule. A l’inverse, si vous ouvrez la lance en grand, vous aurez du débit, et une pression bien inférieure. Alors, pour éteindre le feu, vous préférez quoi ?

Pour en revenir au turbo, si les aubes de la géométrie variable sont très refermées, et trop longtemps, il va arriver un moment où la turbine va monter en vitesse, mais les aubes vont freiner les gaz d’échappement, au point de gêner leur sortie, et vous allez créer une contre-pression importante. Cette pression importante dans l’échappement va empêcher les cylindres de bien se vider, et donc de se remplir comme il faut avec du bon air frais. Conclusion, la pression monte, mais pas le débit. Tout faux. C’est joli sur le manomètre, mais totalement inutile. Peut-être même qu’il est possible que votre moteur marcherait mieux sans turbo ! Donc inutile de faire la course à la pression. C’est la course au volume/débit d’air qu’il faut faire.

 Il faut gérer correctement l’ouverture des aubes du turbo pour maximiser le flux d’air qui rentre dans les cylindres. Il n’y a que cela qui compte. C’est ce que sont sensés avoir fait les ingénieurs de Nissan et de Bosch lors des mises au point moteur. Il faut qu’à tout moment les aubes soient bien orientées, pour maximiser la quantité d’air, sans créer de contre-pression excessive, sauf en bas des tours car il faut bien mettre en branle la turbine de sortie au plus vite, et c’est alors tout l’intérêt de maintenir les aubes assez fermées pour des pressions faibles afin de lancer ce fameux turbo.

Maintenant, comment obtient-on l’ouverture et la fermeture de ces aubes ?

Dans le cas du turbo du 3.0Di, le levier qui active l’ouverture ou la fermeture des aubes se trouve sur le coté du turbo. Il est relié à la tige d’un actuateur, commandé par un niveau de vide qu’il reçoit via un tuyau En passant, tous ces tuyaux de vide doivent être étanches et en bon état. Sinon, changez-les TOUS. Au prix que coûte la durite silicone… ce n’est pas un luxe.

Comment le calculateur arrive-t’il à commander cet actuateur et lui envoyer le niveau de vide qui convient ?

C’est assez simple :

Le Patrol dispose d’une pompe à vide, qui crée un vide de -1000mbar environ par rapport à la pression ambiante, et d’un électrovanne qui mélange ce vide, avec de l’air ambiant qui provient d’une prise située après le filtre à air pour que l’air soit propre , selon le niveau de tension que l’électrovanne reçoit du calculateur. Ce signal est un signal électrique de type PWM ( pulse width modulation).

La documentation nous indique les caractéristiques :

1/ du niveau de vide donnant les positions max et min d’ouverture des aubes ( -200mbar … -550mbar environ)

2/ du niveau du signal pwm de commande de l’EV de vide qui varie entre 55.9% et 20%.

En gros, cela veut dire qu’en envoyant un signal pwm ( de fréquence de base 250Hz idéalement, mais 500Hz fonctionne) modulé à 20%, les aubes sont « entièrement » ouvertes, et « entièrement » fermées contre la butée à 55.9%.

Je mets « entièrement » car ce n’est pas tout à fait vrai. D’origine, la plage de variation d’ouverture est limitée d’un coté par une vis de butée, de l’autre par la longueur de la tige. 

La vis de butée règle le niveau de fermeture maximum des aubes, et donc la vitesse de montée en pression (spool-up) au démarrage du turbo, en bas des tours.

Si la butée est trop vissée, alors le turbo va mettre plus (+) de temps à démarrer. Si elle est trop serrée,  alors le turbo va démarrer très vite, mais s'il démarre trop vite, alors l'ECU avec ses cartographies 'fixes' ne va pas ouvrir les aubes assez rapidement pour éviter l"envolée de pression qui va s'en suivre. Le réglage se fait par 1/8 de tours. IL EST TRES TRES FIN. La tige de l'actuateur ne se déplace en tout que sur 10mm !  1/8 de tour = 1/8 de mm.

ET donc, si on modifie son échappement et/ou sa vanne EGR, et que la pression s'envole trop, on commence par visser la butée pour limiter la vitesse de montée en pression qui est à l'origine de cette envolée, en ouvrant les aubes un petit peu plus en bas des tours.

La longueur de la tige, une fois sortie à fond de l’actuateur, détermine le niveau d’ouverture maxi possible des aubes.

Si la vitesse de montée en pression est correctement réglée, on peut gagner en pression maxi, voire corriger un trou de pression lors de la montée dans les tours en REDUISANT la longueur de cette tige. Comme précédemment, REGLAGE TRES FIN, et pour la même raison. En réduisant la longueur de cette tige, on va limiter le niveau d'ouverture des aubes par le calculateur, et donc augmenter la pression atteinte car pour une même commande pwm envoyée par le calculateur à l'EV de vide, le déplacement du bout de la tige de l'actuateur sera moindre et les aubes resteront un peu plus fermées.

Par  contre, la documentation n’explique pas la stratégie de l’ECU pour décider du niveau d’ouverture ou de fermeture des aubes en fonction de la valeur du MAF, des tr/mn, et de la charge. Il va falloir découvrir tout cela tout seul …

Ce qu’il faut savoir aussi, c’est que la manière dont l’ECU gère le degré d’ouverture et de fermeture des aubes est ‘tabulé’ dans sa mémoire permanente (les fameuses PROM – Programmable Read-Only Memory).

Cela veut dire que (+ ou moins) à un niveau de tension MAF donné, de tr/mn, et de pression sur la pédale, correspond un niveau de signal pwm envoyé à l’EV de vide ( et d’ouverture de l’EGR).

Vous imaginez donc bien que si vous touchez à la configuration matérielle de votre PATROL ( EGR bloquée, catalyseur, diamètre de l’échappement… etc) rien ne va plus car ces tables ( ou carte/cartographie, MAP en anglais) ne sont plus adaptées.

Alors oui, on peut bricoler en dévissant la butée, et en touchant la longueur de la tige pour de toutes petites modifications, mais même une EGR bloquée, et surtout sur un manu apparemment,  perturbe complètement l’ECU et crée des effets de bord importants. Enfin, les tables en question n'ont pas de raison d'être linéaires, et donc l'effet de réaliser une modification linéaire comme visser ou dévisser la butée, raccourcir ou allonger la tige de l'actuateur, peuvent venir perturber ce qu'essaie de faire l'ECU. TOUJOURS REPERER LES POSITIONS DE REFERENCE AVANT DE TOUCHER pour pouvoir revenir en arrière le cas échéant.

Pourquoi par exemple, lorsqu’on bloque l’EGR se trouve t’on avec des pics et des creux de pression ?  Tout simplement parce que l’ECU ne sait pas que vous avez bloqué l’EGR. Et donc, chaque fois qu’il ouvre un peu plus l’EGR pour faire recycler + de gaz d’échappement, il sait que cela va augmenter la pression dans l'admission et donc il ouvre un peu les aubes pour compenser et maintenir la pression au niveau souhaité. ET INVERSEMENT.

Sauf que, si l’EGR est bloquée,  lorsque l'ECU décide de refermer un peu les aubes car il est entrain de refermer la vanne EGR, la pression monte alors d’un coup, et on obtient un pic de pression qui peut être important, et inversement avec... un trou de pression.

GESTION GV PNEUMATIQUE : DAWES ET NEEDLE VALVE

Les Australiens ont mis au point un système à deux valves pour retirer la gestion de la GV du turbo à l’ECU, et obtenir une augmentation plus fluide des tr/mn avec la pression, et supprimer ces pics.

J’ai essayé ce système, qui fonctionne, mais ne me plait pas DU TOUT. En effet, ce système règle l’ouverture mini des aubes, et un niveau de pression max auquel les aubes s’ouvrent d’un coup sec et brutal, mais ce système n’est pas du tout optimal et crée de la contre-pression car il laisse les aubes fermées jusqu’au moment ou la valve à bille ( Dawes valve) s’ouvre. Le super turbo à GV se transforme alors en un turbo fixe.

Il vaut mieux dans ce cas ne mettre qu’une Dawes valve pour supprimer les pics, et laisser l’ECU faire le reste, et ouvrir/fermer les aubes. Et tant pis pour les creux de pression.

J’ai réussi à améliorer ce système en ajoutant une seconde valve à aiguille (Needle valve) derrière la valve à bille, et en retirant complètement la gestion de l’EV à l’ECU. Cela change tout, et redonne au Patrol un fonctionnement un peu plus satisfaisant, quelle que soit sa configuration. Je vous renvoie au post traitant du système Dawes/double Needle.

La première Needle règle le niveau de vide à la limite de début d’ouverture des aubes. La Dawes est réglée pour s’ouvrir dès que la pression dans l’admission dépasse 300mbar, et la Needle derrière la Dawes régule la quantité de flux pression injectée dans le niveau de vide pour faire baisser ce niveau de vide au fur et à mesure que la pression monte, pour ouvrir les aubes de plus en plus. Ça marche parfaitement et permet de régler la vitesse de montée en pression, et la pression maximum atteinte, la pression montant bien régulièrement avec les tr/mn et sans trou.

GESTION GV ELECTRONIQUE

Le problème que le système précédent ne règle pas, c’est le fonctionnement du Patrol en (haute) altitude. D’origine, cela ne marche pas bien sur nos Patrol dès qu’on dépasse 1000m. C’est simplement dû au fait que l’air est de moins en moins dense au fur et à mesure qu’on monte, et donc la pression de départ baisse + qu'à l'accoutumée. A 3000m, elle est de -300mbar environ. (700mbar absolus car 1000mbar altitude 0m, -300 car - 100mbar/1000m).  Et la raison, c'est qu'alors que l'ECU a à sa disposition l'info baromètre qui se trouve logé dans la pompe d'injection avec laquelle il communique, il ne l'utilise pas pour compenser le manque d'air car la fameuse butée empêche les aubes de se fermer plus. Pourtant, lorsqu'on regarde la valeur pwm calculée par l'ECU, elle augmente bien, et au delà des 55.9% de la doc Nini. J'ai relevé 56,9% sur ECUTalk à 1000M. Mais comme la tige / le levier des aubes sont déjà sur la butée, eh bien il ne se passe rien.

La seule solution que j’ai trouvée est électronique, et c’est pour cela que j’ai abandonné le système à 3 vannes/valves pour développer une électronique contenant un baromètre et du logiciel, pour pouvoir fermer davantage les aubes en bas des tours en fonction de la pression atmosphérique, et aider le turbo à démarrer. Et c’est le jour et la nuit. Edit : le baromètre est en fait inutile, car le capteur de pression de  notre Patrol nous donne un pression absolue. Nous avons donc déjà l'information nécessaire en regardant simplement la tension en Volts de ce capteur.  +3000m donne 1,4V environ au ralenti.

Voilà EN VERT la courbe de régulation principale que j'utilise en %pwm vs pression admission de l'EV de vide Pierburg, qui contrôle mon actuateur Melett, que j'utilise pour la configuration de mon Patrol. En charge, lorsqu'on appuie sur la pédale, il faut ajouter à ce terme-là proportionnel au niveau de pression (mais qui n'est pas linéaire), un autre terme proportionnel à la pente de variation de cette pression pour contenir la vitesse de montée en pression.

(L'actuateur et l'EV de vide ne sont pas des Nissan original, mais sont donnés comme 'compatibles'. ça a l'air à peu près vrai d'après ces chiffres)

Je fais en sorte de ne pas dépasser 1,25bar max pendant + de deux ou trois secondes, et j'empêche le débitmètre de franchir les seuils de mise en sécurité ECU, dont j'ai essayé de maximiser la valeur. L'ECU se charge de calculer la bonne quantité de gasoil, et il le fait très bien.

Comme tout ce qui est au-dessus est le résultat d'essais multiples et d'expériences, il y a peut-être quelques coquilles dans les raisonnements, car je ne suis pas ni mécanicien et encore moins expert en mécanique, mais cela provient de déductions et d'observations avec les explications obtenues auprès des nombreux cadors en mécanique de Patrol-Gr qui m'ont bien aidé dans mes analyses, ainsi que Vincent et Yamajim d'un site cousin, et enfin Geeyoutoo du site cousin Australien, que je remercie tous.

Je vous renvoie au post les mystères du débitmètre expliqués, qui traite aussi des mises en sécurité débitmètre liées à une meilleure gestion du turbo et du flux d’air amélioré que cette nouvelle gestion optimisée de la GV du turbo,et adaptée à la configuration de mon PATROL, entraine.

Bon vous allez me dire, et sur la bête; ça donne quoi ?

ça : 

passage des trois premières vitesses à vitesse habituelle (entre 2000 et 3000 tr/mn sans trop appuyer sur la pédale), puis de la 4e. On voit qu'en seconde, on dépasse juste juste 800mbar ( 1800mbar absolus sur l'échelle). Je rappelle que le capteur donne la pression absolue. Pas la surpression dans l'admission comme un mano. Pour cela, il faut enlever 1000 environ ( en fait, il faudrait enlever la valeur du baromètre ...).

La courbe jaune représente  la mesure de la dérivée de la pression en fonction du temps, multipliée par un coefficient 'magique' (en fait évalué par tests et mesures successives), qui permet d'augmenter la vitesse d'ouverture des aubes lorsque la montée en pression est rapide ( cas de la charge, et des premiers rapports ).

à 2700 tr/mn, le débitmètre dépasse 4.3V. Il y a donc plein d'air qui rentre dans l'admission. C'est ce qu'on voulait ! Mais on doit limiter la tension vue par l'ECU pour qu'il  ne passe pas en mode sécurité. Honnêtement, on ne sent absolument rien. l'ECU fait juste envoyer un peu moins de gasoil qu'il pourrait, et on a donc un mélange un peu moins riche en gasoil juste à ces instants là. Mais le reste du temps, on a gagné une pêche d'enfer ( et c'est surtout aux tr/mn de plus grande utilisation pour moi 2000-2500 ) car en maximisant le flux d'air, on a le gasoil qui va avec. et pas de fumée, car le ratio (AFR) est celui prévu par l'ECU. pas plus.Donc pas de pollution excessive, et zéro fumée.. Mais quelle prise de tête pendant un an !

Et conduire le PATROL devient encore + plaisant

Modifié 19 août 2023 par phdv61

[jacktrol]

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