Homogeneous charge compression ignition

Moteur HCCI

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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 possible (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 tandis 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 débute à plusieurs endroit 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 identiques 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 afin de 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 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.

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 HCCI fonctionnent généralement en mélange pauvre.

Avantages

• Le moteur HCCI 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 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 débute lorsque le carburant est injecté dans l'air comprimé. Dans les deux cas, la combustion est contrôlée précisément dans le temps. Au contraire, dans un moteur HCCI, 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 HCCI 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 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). 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 appelée gestion thermique rapide (fast thermal management en anglais) 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 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 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

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 relativement 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 alors très élevé ; il convient alors 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 donc forcément 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, réduit 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 relativement 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. 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 HCCI 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'ait 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 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 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 HCCI, 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 déclanchement 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, le processus piston - HCCI focalise sur le contrôle du déclanchement 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 HCCI (et non la franche détonation) ne brûle pas complètement le carburant. Le processus HCCI 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 HCCI est possiblement toujours dans un cul de sac, mais en mouvement vers la PhotoDétonation...

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, et c'est ce que la Quasiturbine AC accomplie, tout en permettant un 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, immediatement suivi d'un flanc raide dessendant, de sorte qu'on a pas à jongler avec la problématique du report du déclanchement de la détonation. Le mode HCCI est détonant, mais pas purement photonique, alors que la PhotoDétonation est une franche et totale détonation (non étouffée, ni contaminé), possible seulement avec des cycles de pression beaucoup plus rapide que le piston. Évidemment, le HCCI et la PhotoDétonation ne sont pas étrangers l'un à l'autre. Dit simplement, la PhotoDétonation se produit bien audelà du processus de seuil du HCCI, là où les conditions extrèmes favorisent la combustion photonique volumique, et n'est possible que dans des machines très rapides (impulsions courtes, dont la Quasiturbine AC est un exemple).

Détonation versus l'hybride

Le mode PhotoDétonation supprime la dépressurisation d'admission et permet ainsi un gain d'efficacité considérable (dans les usages automobiles, près de la moitié de l'énergie du carburant sert à produire la dépressurisation d'admission). Dans ce mode, l'efficacité moteur reste élevée même à basse puissance. Conséquemment, la détonation et hybride sont deux différentes façons d'exploitées la réduction d'efficacité du piston conventionnel à basse puissance, et les deux méthodes sont compatibles avec les trains de propulsion électrique (moteur roue) super-efficace. Le moteur à détonation est cependant une voie plus directe et plus efficace que l'hybride, et parce que « le carburant embarqué » est déjà une forme de stockage d'énergie, le moteur à détonation évite de réemmagasiner cette énergie sous forme électrique dans des batteries. Une partie de l'énergie chimique emmagasinée dans le carburant est dégradée lorsque transvasée dans des batteries.

Perspective de la production distribuée

Actuellement, les grandes centrales thermiques des services publics sont plus efficaces que les petites génératrices à carburant, ce qui handicapent la «production électrique distribuée», et favorise les lignes à haute tension et les réseaux électriques. Toutefois, la PhotoDétonation a le potentiel d'offrir de petits moteurs ayant la même efficacité que les grandes centrales des services publics, et ainsi de rendre la « production électrique distribuée » possible, éventuellement avec certains avantages environnementaux. Tout le monde n'a pas le même intérêt à développer les moteurs à PhotoDétonation ...

Liens externes

• taux de compression variable
• PhotoDétonation, voir Discussion

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