Transwiki:Moteur HCCI

Le moteur de charge d'homogène d'allumage par compression, est un type de moteur à combustion interne dans lequel le mélange air-carburant est mélangé de la manière la plus homogène possible et est comprimé assez fortement pour atteindre le point d'auto-allumage. Comme dans d'autres types de combustion, la réaction exothermique dégage de l'énergie transmise au moteur sous forme de travail et de chaleur.

Comme dans les moteurs à allumage commandé d'une charge homogène, le carburant et l'oxydant sont mélangés de manière homogène. Néanmoins, plutôt que d'utiliser une étincelle d'origine électrique pour enflammer un point du mélange, le mélange est comprimé pour atteindre une température et une densité assez haute pour que le mélange s'enflamme entièrement et spontanément. Les moteurs à charge stratifiée fonctionnent selon le même principe de compression mais la différence est que la combustion démarre aux frontières entre l'air et le carburant injecté mais non vaporisé.

La combustion dans le moteur débute à plusieurs endroits à la fois, ce qui résulte en une combustion de tout le mélange air-carburant presque simultanée, il n'y a pas d'initiateur direct de la combustion. Le moteur présente alors plus de difficulté de contrôle de la combustion. Pourtant, les progrès des microprocesseurs et la meilleure compréhension physique des phénomènes de combustion permettent ce contrôle au point d'arriver à des émissions polluantes réduites avec une grande efficacité. En effet, les moteurs permettent d'arriver à des émissions de NOx extrêmement faibles sans traitement post-combustion (par exemple grâce à un pot catalytique). Les hydrocarbures non-brûlés et le monoxyde de carbone émis restent à des niveaux élevés à cause du pic de température de combustion plus bas ; ces émissions doivent toujours être post-traitées afin de garantir des émissions en deçà des normes en vigueur fixées par les autorités.

Fonctionnement

Méthode

Un mélange de carburant et d'air s'enflamme spontanément quand la densité et la température des réactifs est assez élevée. Ces deux conditions peuvent être remplies par plusieurs moyens :

• un taux de compression élevé,
• un préchauffage des gaz admis,
• l'admission forcée par suralimentation,
• la recirculation des gaz d'échappement.

Une fois le mélange enflammé, la combustion se déroule très rapidement. Lorsque l'auto-allumage a lieu trop tôt ou dégage trop d'énergie, la combustion est trop rapide ; dans ce cas, les pics de pressions dans le cylindre peuvent mener à la destruction du moteur. Pour cette raison, les moteurs fonctionnent généralement en mélange pauvre.

Avantages

• Le moteur est plus proche du cycle de Beau de Rochas idéal que le moteur à allumage commandé,
• le mélange pauvre implique un rendement plus élevé que dans le moteur à allumage commandé,
• la charge homogène mène à des émissions de polluants moins élevées, les émissions de NOx sont négligeables,
• l'absence de papillon évite les pertes de vannage (ou pertes par pompage).

Inconvénients

• Les pics de pression sont élevés,
• il est difficile de contrôler la combustion,
• l'énergie est dissipée dans un temps très court,
• la puissance disponible est limitée,
• les émissions d'hydrocarbures et de monoxyde de carbone sont élevées.

Contrôle de la combustion

Dans l'objectif d'une commercialisation, le contrôle précis de la combustion dans un moteur est d'une importance majeure mais ce contrôle est plus malaisé que celui d'une combustion classique. Puisque la combustion débute lorsque les conditions de densité et de température du mélange sont atteintes et il n'y a pas d'évènement initiateur contrôlable précisément.

La conception du moteur peut être faite avec pour objectif un début de combustion à un temps précis, mais ceci n'est possible que pour un point de fonctionnement particulier du moteur, ce qui n'est pas compatible avec la volonté d'un conducteur qui souhaiterait pouvoir choisir le couple développé par le moteur, au travers de son action sur la pédale d'accélérateur.

Afin d'arriver à contrôler le moteur de manière dynamique, c'est-à-dire de pouvoir choisir le couple développé par le moteur, le système de contrôle du moteur doit pouvoir changer les conditions qui initient la combustion ; cela se fait grâce au contrôle du taux de compression, de la température et de la pression des gaz admis et de la quantité de gaz recirculés. Plusieurs approches ont été étudiées pour contrôler ces paramètres.

Taux de compression variable

Plusieurs solutions existent pour faire varier le taux de compression géométrique et le taux de compression effectif. Le taux de compression géométrique peut être changé avec un piston mobile en tête de cylindre (la cylindrée est donc variable). Tandis que le taux de compression effectif peut être réduit ou augmenté par rapport au taux de compression moyen en fermant plus tôt ou plus tard les soupapes d'admission grâce à des actionneurs de soupapes à calage et/ou à levée variable (i.e. distribution variable permettant entre autres un fonctionnement en cycle d'Atkinson). Ces deux solutions sont assez consommatrices en énergie et sont de plus assez chères à mettre en œuvre (ces deux inconvénients ayant disparu pour la seconde solution, la distribution variable étant désormais parfaitement au point).

Température d'admission variable

Cette technique est aussi appelée gestion thermique rapide et est réalisée en faisant varier la température des gaz admis d'un cycle à l'autre. Cette solution est aussi coûteuse.

Recirculation des gaz d'échappement

Les gaz d'échappement peuvent être très chauds s'ils sont retenus à l'intérieur du cylindre ou refroidis s'ils passent par le collecteur d'admission comme dans les systèmes EGR conventionnels. Les gaz d'échappement ont deux effets majeurs sur la combustion dans un moteur : d'une part, ils diluent le mélange admis, retardant l'allumage, d'autre part, ils absorbent une partie de la chaleur émise lors de la combustion. Au contraire, une combustion avec des gaz non refroidis augmentera la température des gaz dans le cylindre et l'allumage se produira plus tôt.

Ouverture variable des soupapes

Cette solution permet non seulement de contrôler le taux de compression mais aussi le taux de gaz d'échappement recirculés. Néanmoins, cette solution est techniquement complexe et matériellement coûteuse (mais de moins en moins cf. section Taux de compression variable).

Pics de pression et pics énergétiques

La totalité du mélange s'allume et brûle d'un coup, le pic de pression et le taux d'énergie dissipée est alors très élevé ; il convient alors de renforcer la structure du moteur pour qu'il puisse y résister. Les moteurs sont donc forcément plus lourds. Plusieurs solutions ont été proposées pour diminuer ces problèmes. L'utilisation de deux carburants différents permettrait de séparer l'allumage en deux instants, ralentissant ainsi la combustion mais cela nécessite un réseau de distribution de carburant modifié. La dilution, par exemple avec des gaz d'échappement, réduit la pression et le taux d'énergie dissipée.

Puissance

Comme le mélange brûle d'un coup, augmenter la richesse aura pour effet de provoquer des pics de pression et de chaleur plus élevés. Augmenter la richesse offre aussi un risque plus élevé de cliquetis. De plus, la plupart des contrôles viables de ces moteurs nécessite le préchauffage du mélange, ce qui réduit sa densité et donc la masse de mélange dans le cylindre, ce qui réduit la puissance développée. Ces différents facteurs font que l'augmentation de la puissance dans les moteurs est difficile et l'objet de nombreuses études.

Une manière d'augmenter la puissance est d'utiliser plusieurs types de carburant. Cela a pour effet de diminuer le pic de chaleur et de pression et permet alors d'augmenter la richesse. Une autre solution est de stratifier la charge thermiquement afin que toutes les zones dans le cylindre n'aient pas la même température et donc ne s'enflamment pas au même instant. Cela permettrait de faire fonctionner le moteur à pleine charge ou presque comme les moteurs classiques. De nombreuses recherches ont lieu à ce sujet.

Émissions de monoxyde de carbone et d'hydrocarbures

Du fait que les moteurs fonctionnent en mélange pauvre, le pic de température de combustion est plus faible que sur les moteurs classiques. Cela a pour avantage de diminuer la formation de NOx mais mène aussi à une combustion incomplète du carburant, plus spécifiquement dans les zones proches des parois de la chambre de combustion et donc les émissions de monoxyde de carbone et d'hydrocarbures non-brûlés sont plus élevées. Une catalyse oxydante serait alors possible pour se débarrasser de ces polluants car le taux d'oxygène dans les gaz d'échappement est élevé (tout l'oxygène n'est pas consommé lors de la combustion en mélange pauvre).

Différence avec le cliquetis

Le cliquetis apparaît lorsque, dans un moteur à allumage commandé, une partie des gaz qui ne sont pas encore enflammés s'enflamme spontanément. Les gaz non brûlés se comprimant devant le front de flamme et la pression dans la chambre de combustion augmentant, la température des gaz non brûlés augmente et ceux-ci peuvent réagir spontanément. Cela cause une détonation néfaste pour le moteur par rencontre de deux ondes formant une onde stationnaire de grande amplitude. Dans les moteurs, le mélange étant homogène, les réactifs s'enflamment entièrement simultanément ; il n'y a donc pas de problème de cliquetis car il n'y a pas plusieurs ondes de choc dans la chambre de combustion. Ceci n'est pas nécessairement vrai à forte charge.

L'avenir de la détonation

Le paradoxe de la détonation dans les machines lentes

Le volume des chambres de moteur à piston avec vilebrequin varie approximativement de façon sinusoïdale, restant de longs moments au point mort haut et bas. C'est une caractéristique de machine fondamentalement lente, avec de plus seulement deux degrés de liberté au design (la translation du piston et la rotation du vilebrequin), et donc inapte à répondre aux détonations super rapides. Dans l'univers du piston, la problématique de la détonation est ramenée à une problématique de retardement du déclenchement de la détonation dans un état relativement stationnaire, soit le point mort haut. Pour tenter la détonation, des bricolages comme les bielles variables ou des mini-pistons rapides complémentaires sont ajoutés en amont, mais ces accessoires ne s'attaquent pas sérieusement à l'autre point essentiel en aval, c'est-à-dire la capacité de la machine à faire une transformation précoce de l'énergie de pression en énergie de rotation. Depuis des décennies, c'est le processus des pistons qui sont focalisé sur le contrôle du déclenchement de la détonation, et pour y arriver, étouffe et affaibli la puissance de la détonation en contaminant l'admission avec les gaz brûlés; c'est pourquoi le mode (et non la franche détonation) ne brûle pas complètement le carburant. Le processus en est un au seuil inférieur marginal de la détonation, où la combustion peut commencer par un front d'onde thermique conventionnel, lequel peut dégénérer en de multiples points de détonation et subséquemment en combustion pilotée par onde de choc. Ce n'est pas une franche détonation. Ça marche (si on peut dire ?) tant qu'on ne demande pas de puissance au moteur ! Le domaine du moteur est possiblement toujours dans un cul de sac, mais en mouvement vers la Photo-Détonation...

La détonation dans une machine rapide

Une machine avec plus de degrés de libertés au design qui permet une mise en forme de l'impulsion volume suivant la lettre cursive « i » avec une durée de 15 à 30 fois plus brève que le piston convient parfaitement mieux à la détonation, tout en permettant une transformation précoce de l'énergie de pression en énergie de rotation. Avec une machine rapide, la détonation s'amorce dans un flanc de croissance raide de pression, immédiatement suivi d'un flanc raide descendant, de sorte qu'on n'a pas à jongler avec la problématique du report du déclenchement de la détonation. Le mode est détonant, mais pas purement photonique, alors que la Photo-Détonation est une franche et totale détonation (non étouffée, ni contaminée), possible seulement avec des cycles de pression beaucoup plus rapides que le piston. Évidemment, le moteur et la Photo-Détonation ne sont pas étrangers l'un à l'autre. Dit simplement, la Photo-Détonation se produit bien au delà du processus de seuil du moteur, là où les conditions extrêmes favorisent la combustion photonique volumique, et n'est possible que dans des machines très rapides.