Bonjour,

Séquence mode de combustion non conventionnelle dans les moteurs à combustion interne.

Au cours de ma présentation, je donnerai quelques indications sur les modes de combustion conventionnelle, puis j’introduirai donc le concept de moteur HCCI.

Les moteurs à mode de combustion conventionnelle sont de deux types, essentiellement donc le moteur à allumage commandé d’une part, et le moteur diesel d’autre part.

Dans le cas des moteurs à allumage commandé, le mélange air-combustible est réalisé avant son entrée dans le cylindre, au voisinage de la soupape d’admission le plus souvent. Le mélange air-combustible est assuré au cours de la phase descendante du piston lorsque la soupape d’admission est ouverte. En fin d’aspiration, on aura à l’intérieur du cylindre un mélange sensiblement homogène. Notez aussi la présence d’un papillon qui est destiné à créer une perte de charge à l’aspiration qui y est nécessaire pour réduire la pression à l’amont de la soupape d’admission lors des fonctionnements à charges partielles.

Dans le cas du moteur diesel, la préparation du mélange air-combustible est complètement différente. Dans le cas du moteur diesel, le moteur fonctionne en permanence à pleine admission, c’est-à-dire qu’il n’y a pas de papillon à l’aspiration. Pendant la phase descendante du piston, seul l’air sera aspiré et ensuite, comprimé jusqu’à atteindre une température suffisante pour provoquer l’auto-inflammation du combustible lorsque celui-ci est introduit en fin de course montante du piston, donc au moment où la combustion va se produire.

Les types de combustion qui vont se produire dans ces moteurs conventionnels sont complètement différents. Dans le cas du moteur à allumage commandé, c’est une étincelle produite au niveau des électrodes de la bougie qui va amorcer la combustion, puis le front de flamme va se propager à l’intérieur du mélange air-combustible à une vitesse qui est relativement lente. On a typiquement donc une flamme de prémélange.

Dans le cas du moteur diesel, le combustible est introduit au moment où la combustion doit se produire. On a formation de jet et c’est essentiellement au niveau de la périphérie du jet que cette combustion va se développer, avec des températures locales qui sont très importantes. Evidemment, dans le cas du moteur à allumage commandé, il ne faut pas que la combustion se produise avant l’étincelle, ce qui va limiter le rapport volumétrique, c’est-à-dire le rapport entre le volume maximum et le volume minimum de la chambre, de l’ordre de 9 à 10, alors que dans le cas du moteur diesel, les températures importantes sont nécessaires pour produire l’inflammation, ce qui va imposer des rapports volumétriques beaucoup plus importants, typiquement de l’ordre de la vingtaine.

Notez qu’au niveau de la zone de combustion, au niveau du jet, on a des températures très élevés qui sont génératrices d’oxyde d’azote et on observera aussi des zones de forte présence de suie dans la zone de combustion. Alors si on compare les avantages et les inconvénients de ces deux types de moteurs, ce qu’on peut dire, c’est que le moteur à allumage commandé a été développé depuis de nombreuses années et il est bien au point, son prix est relativement modéré. Par contre, on a des rendements qui sont relativement faibles du fait de la limitation sur le taux de compression et également du fait des pertes de charge qui sont introduites par la présence du papillon. 

Dans le cas du moteur diesel, on a de bons rendements qui sont dus en particulier au rapport volumétrique beaucoup plus élevé de l’ordre de 20. Les puissances sont généralement élevées et on a une bonne durabilité du moteur. Par contre, son inconvénient majeur, c’est la présence de NOx et de particules au niveau des gaz d’échappement et éventuellement de plein production.

C’est pour essayer de contrebalancer ces effets liés, de profiter à la fois des avantages des moteurs diesel et à allumage commandé et d’autre part, de limiter leurs inconvénients que le concept HCCI a été développé.

Le concept HCCI signifie mélange homogène allumage par compression et, pour les moteurs à essence, on utilise plutôt la dénomination moteur CAI, c’est-à-dire auto-allumage contrôlé.

Dans le cas de la combustion CAI ou HCCI, le mode de préparation du mélange air-combustible se rapproche de ce qui existait dans le cadre des moteurs à essence, c’est-à-dire que la préparation du mélange est effectuée à l’admission du moteur, avant de rentrer dans le cylindre avec toutefois, une grosse différence par rapport au moteur à essence, c’est qu’il n’y a pas de papillon qui produit donc l’effet de perte de charge. L’allumage en fait, sera provoqué par la remontée du piston, par la compression qui va produire une augmentation de température et on notera la présence de nombreux sites d’allumage. L’allumage se répartit donc sur l’ensemble de la charge air-combustible.

Les courbes qui sont ici représentent les évolutions à la fois du dégagement de chaleur et des pressions à l’intérieur du cylindre. La courbe la plus basse, ici, correspond en fait à ce qui va se passer si on n’a pas d’allumage disons au cours du cycle et la courbe en violet ici, représente la loi de dégagement de chaleur.

On note deux choses : ici, un premier pic, disons de faible amplitude qui correspond à l’apparition de ce qu’on appelle une flamme froide, c’est-à-dire un amorçage de la combustion et la plus grosse partie de la combustion va se produire ensuite, un peu plus tard, avec un certain délai par rapport à la flamme froide. On notera également, que dès le dégagement de chaleur de la flamme froide, on a une légère augmentation de pression et cette augmentation de pression devient très importante lorsque la plus grande partie du dégagement de chaleur va se produire. On notera aussi que le dégagement de chaleur est effectué sur un temps extrêmement court, c’est-à-dire que la combustion en mode HCCI est quelque chose qui va se faire sur un temps très réduit. Notons que cette combustion, sa grosse caractéristique, c’est d’être entièrement contrôlée par la cinétique chimique.

Ici sont représentés les types d’évolutions qu’on pourra avoir en fonction de la richesse du mélange air-combustible. Lorsque la richesse est très faible, on voit apparaître des phénomènes d’instabilité, c’est-à-dire qu’il pourra y avoir des cycles avec ou sans combustion. Ces conditions de combustion instable sont inacceptables dans la mesure où, évidemment, on aura une forte émission d’imbrûlés à l’échappement du moteur. A l’autre extrémité, lorsque la richesse devient importante, on va être confronté au problème de cliquetis qui se traduit en fait par des oscillations importantes de la pression et là encore, ce mode de combustion n’est pas acceptable. Donc en fait, les richesses qui pourront être utilisées ici, c’était dans le cadre d’un moteur fonctionnant au butane avec un taux de compression de l’ordre de 15, eh bien, les richesses vont être limitées ici à des valeurs qui seront de l’ordre de 0,29 à peu près jusqu’à 0,41 environ.

Donc en fait, ceci va limiter le domaine de fonctionnement du moteur.

Maintenant, on essaie de faire un petit bilan des avantages et des inconvénients des moteurs HCCI. Ce qu’on peut dire, c’est que la combustion, du fait de sa répartition sur l’ensemble de la charge moteur, va se faire à relativement basses températures et, compte tenu de ces basses températures, on aura peu d’émission d’oxyde d’azote. La combustion permet d’utiliser des mélanges pauvres homogènes. Ces émissions présentent l’avantage d’émettre peu de particules et que cette combustion est très rapide.

D’autre part, la combustion étant rapide, on aura une combustion qui sera sensiblement à volume constant et qui rapproche le cycle des moteurs HCCI du cycle théorique de Beau de Rochas pour lequel le rendement dépend essentiellement du rapport volumétrique, c’est-à-dire du rapport entre le volume maximum et le volume minimum de la chambre et compte tenu des taux de compression élevés. Ce rapport volumétrique étant grand, on a des bons rendements pour ce type de moteur.

Par contre, la grosse difficulté, c’est le contrôle de la combustion et la présence d’un pic de pression au moment où la combustion va se produire. D’autre part, le domaine de fonctionnement va rester limité.

Une difficulté également, c’est d’obtenir un mélange air-combustible qui soit bien un mélange homogène.

Alors en fait, comment pourra-t-on contrôler la combustion ? Essentiellement, on aura deux types d’action possibles. C’est une action sur la réactivité du mélange air-combustible ou jouer sur l’historique des températures au cours du cycle. 

L’action sur la réactivité peut être obtenue de différentes façons, en jouant sur le rapport air-combustible du mélange, c’est-à-dire sur la richesse ; en jouant sur ce qu’on appelle l’EGR, c’est-à-dire la recirculation des gaz d’échappement, qui consiste à ramener une partie des gaz d’échappement vers l’aspiration et ainsi de diluer le combustible à l’intérieur de la charge air-combustible. Les mélanges de combustibles peuvent être aussi utilisés ou éventuellement l’utilisation de certains additifs.

Pour jouer sur l’évolution des pressions et des températures au cours du cycle, là encore, la recirculation des gaz d’échappement va jouer un rôle. On pourra jouer également sur les conditions à l’admission du moteur. Enfin, différents dispositifs peuvent être utilisés tels que la variation du rapport volumétrique du taux de compression du moteur ou le calage de la distribution, c’est-à-dire de l’ouverture et de la fermeture des soupapes. Enfin, on pourra éventuellement agir sur la température de refroidissement des parois et sur le calage de l’injection dans le cas de la motrice essence à injection directe.

Pour conclure, ce qu’on peut dire, c’est que la combustion HCCI présente un gros avantage en termes d’émission polluante, peu d’oxyde d’azote et peu de particules. La combustion se fait à basse température, ce qui va limiter les pertes et le moteur HCCI peut être utilisé avec de nombreux combustibles. Ce que l’on a vu, c’est que le principal inconvénient, c’est la limitation du domaine de fonctionnement pour avoir des fonctionnements corrects. On aura aussi un gros problème de contrôle de l’auto-allumage et puis, lorsque les richesses sont trop faibles, des cycles sans allumage qui risquent de produire des imbrûlés en quantités importantes, ce qui mène en fait, à avoir des perspectives de moteur à deux modes de combustions. En fait, compte tenu des richesses limitées du moteur HCCI, il sera surtout bien adapté ce mode d’HCCI aux faibles charges et, pour les charges beaucoup plus importantes, c’est-à-dire lorsqu’on va demander beaucoup de puissance, sur autoroute, revenir au mode conventionnel de fonctionnement des moteurs.

Merci.