Moteur HCCI

Le moteur Homogeneous Charge Compression Ignition, ou HCCI, est un type de moteur à combustion interne dans lequel le mélange air-carburant est mélangé de la manière la plus homogène envisageable et est comprimé assez fortement pour atteindre le point d'auto- allumage.



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  • Selon le professeur William H. Green, du département du génie chimique du MIT, un moteur HCCI dépend de deux facteurs : La température du mélange et la... (source : vehiculespropres)
  • ... L'idée est d'introduire dans une chambre de combustion un mélange uniforme d'air et d'essence (comme dans un moteur à allumage commandé, ... (source : moteurnature)

Le moteur Homogeneous Charge Compression Ignition, ou HCCI, est un type de moteur à combustion interne dans lequel le mélange air-carburant est mélangé de la manière la plus homogène envisageable (comme dans les moteurs à essence) 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.

Le moteur HCCI a des caractéristiques issues des deux types de combustion les plus connues : l'allumage commandé (par une ou plusieurs bougies) d'une charge homogène étant utilisée dans les moteurs à essence alors que l'auto-allumage d'une charge stratifiée est utilisée dans les moteurs Diesel. Comme dans les moteurs à allumage commandé d'une charge homogène, le carburant et l'oxydant (en général l'air) 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 HCCI commence à plusieurs lieu 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 dans ce cas 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 semblables à un moteur à essence, tout en ayant l'efficacité plus élevée d'un moteur Diesel. En effet, les moteurs HCCI 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 pour garantir des émissions en-deça des normes en vigueur fixées par les autorités.

Histoire

L'origine du moteur HCCI n'est pas récente, même s'il n'a pas été tout autant utilisé que le moteur à allumage commandé ou l'injection directe dans le moteur Diesel. Le moteur HCCI était déjà connu avant que n'apparaisse l'allumage électronique.

Méthode

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

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

Avantages

  • Le moteur HCCI est plus proche du cycle de Beau de Rochas parfait 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 complexe de contrôler la combustion,
  • l'énergie est dissipée dans un temps particulièrement 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 HCCI est d'une importance majeure mais ce contrôle est plus malaisé que celui d'une combustion classique.

Dans un moteur à essence, on utilise une étincelle pour enflammer le mélange air-carburant. Dans un moteur diesel, la combustion commence quand le carburant est injecté dans l'air comprimé. Dans les deux cas, la combustion est contrôlée exactement dans le temps. Au contraire, dans un moteur HCCI, la combustion commence quand les conditions de densité et de température du mélange sont atteintes et il n'y a pas d'évènement initiateur contrôlable exactement. La conception du moteur peut être faite avec pour objectif un début de combustion à un temps précis, mais ceci n'est envisageable que pour un point de fonctionnement spécifique 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 HCCI de manière dynamique, c'est-à-dire de pouvoir choisir le couple développé par le moteur, le dispositif 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 fluctuer 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 par conséquent variable). Alors que le taux de compression effectif peut être réduit ou augmenté comparé 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 donnant la possibilité entre autres un fonctionnement en cycle Atkinson). Ces deux solutions sont assez consommatrices en énergie et sont qui plus est assez chères à mettre en œuvre (ces deux inconvénients ayant disparu pour la seconde solution, la distribution variable étant désormais idéalement au point). Une troisième solution développée depuis peu par la société lyonnaise MCE-5 apporte une réponse élégante et efficace à ce problème (en outre, grâce à sa nouvelle bielle, plusieurs défauts inhérents à celle-ci disparaissent).

Température d'admission variable

Cette technique est aussi nommée gestion thermique rapide (fast thermal management en anglais) et est réalisée en faisant fluctuer 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 particulièrement chauds s'ils sont retenus à l'intérieur du cylindre ou refroidis s'ils passent par le collecteur d'admission comme dans les dispositifs EGR conventionnels. Les gaz d'échappement ont deux effets majeurs sur la combustion dans un moteur HCCI : 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 également 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

Dans les moteurs à essence, la combustion se propage via une flamme. Ainsi, à un moment donné, seule une partie du mélange est en train de brûler. Cela a pour conséquences un pic de pression et un taux d'énergie dissipé assez faible et s'étalant dans le temps. Par contre, dans les moteurs HCCI, la totalité du mélange s'allume et brûle d'un coup, le pic de pression et le taux d'énergie dissipée est dans ce cas particulièrement élevé ; il convient dans ce cas de renforcer la structure du moteur pour qu'il puisse y résister (comme pour le diesel ou cet effet est moindre mais existe). Les moteurs HCCI sont par conséquent nécessairement plus lourds que leurs homologues à essence ou gazole.

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, diminué la pression et le taux d'énergie dissipée.

Puissance

Dans un moteur à essence, la puissance peut être augmentée en admettant plus de mélange air-essence. Dans un moteur Diesel, l'augmentation du volume de gazole injecté a le même effet. Ces moteurs supportent une augmentation de puissance car la dissipation de chaleur est assez lente. Dans un moteur HCCI, 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. Qui plus est , la majorité des contrôles viables de ces moteurs nécessite le préchauffage du mélange, ce qui réduit sa densité et par conséquent la masse de mélange dans le cylindre, ce qui diminué la puissance développée. Ces différents facteurs font que l'augmentation de la puissance dans les moteurs HCCI est complexe 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 dans ce cas d'augmenter la richesse. Une autre solution est de stratifier la charge thermiquement pour que l'ensemble des zones dans le cylindre n'ait pas la même température et par conséquent 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 HCCI 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 particulièrement dans les zones proches des parois de la chambre de combustion et par conséquent les émissions de monoxyde de carbone et d'hydrocarbures non-brûlés sont plus élevées. Une catalyse oxydante serait dans ce cas envisageable 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 quand, dans un moteur à allumage commandé, une partie des gaz qui ne sont pas toujours 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 HCCI, le mélange étant homogène, les réactifs s'enflamment entièrement simultanément ; il n'y a par conséquent pas de problème de cliquetis car il n'y a pas plusieurs ondes de choc dans la chambre de combustion. Ceci n'est pas obligatoirement vrai à forte charge.

Liens externes

taux de compression variable

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