Technique : allumage par compression pauvre (HCCI)

Après l'injection directe, les turbocompresseurs et les refroidisseurs intermédiaires, l'étape suivante consistera à utiliser la compression de l'essence, et non l'étincelle fournie par une bougie, pour enflammer l'essence dans la chambre de combustion. C'est un sujet que nous avons abordé à plusieurs reprises dans le passé, mais aujourd'hui, nous allons l'examiner en détail. C'est l'un des derniers gestes du moteur à combustion interne avant de passer définitivement le relais à d'autres technologies.

Pour expliquer le fonctionnement de l'allumage sans bougie, nous allons d'abord jeter un coup d'Ňďil √† la phase de combustion du cycle Otto, o√Ļ le m√©lange est allum√© par les bougies d'allumage :


Parmi les quatre √©tapes du cycle d'Otto (admission, compression, explosion et √©chappement), seule l'√©tape d'explosion applique une force (√©nergie cin√©tique) √† la rotation du vilebrequin. Cette force est √† son tour "stock√©e" dans le volant d'inertie, auquel la bo√ģte de vitesses est reli√©e par l'embrayage.

Dans un moteur à essence classique, la phase d'explosion se produit après la compression, lorsque le piston monte du point mort bas (PMB) au point mort haut (PMH), comprimant le mélange air/essence lors de son passage. Une fois le PMI atteint, le distributeur (tuyau delco), fournit 5.000 V au cylindre en question afin que la bougie produise une étincelle qui enflamme le mélange, produisant un front de flamme qui consomme le même, poussant le piston vers le PMI. Le mélange ne s'enflamme pas toujours au PMI, cela dépend de l'avance à l'allumage : un retardé réchauffe le moteur, un avancé génère plus de puissance.

Au fil des ans, ce principe de base a été compliqué par les progrès techniques. D'un point de vue général, il peut sembler que les seuls changements soient le passage de la carburation à l'injection indirecte, et de l'injection indirecte à l'injection directe. Mais en réalité, il y a eu beaucoup, beaucoup de progrès plus modestes dont on ne parle pas souvent, comme des améliorations dans la conception de la chambre de combustion, des améliorations dans les matériaux utilisés qui facilitent la dissipation de la chaleur, ou des améliorations dans la façon dont le jet d'essence est injecté dans le cylindre (un mélange plus homogène facilite une avancée constante du front de flamme), parmi beaucoup d'autres.


Quelles sont les limites auxquelles nous sommes confrontés ?

La plupart des constructeurs, suivant la tendance au downsizing, ont pr√©conis√© l'abandon des moteurs √† aspiration naturelle au profit des turbocompresseurs, qui augmentent le rendement du moteur en introduisant de l'air comprim√© dans la chambre de combustion : plus d'air permet de br√Ľler plus d'essence et d'obtenir plus de puissance dans la phase d'explosion. Mais comme le m√©lange d'air et d'essence prend plus de pression √† l'int√©rieur de la chambre de combustion, la temp√©rature √† laquelle le m√©lange est soumis √† l'int√©rieur de la chambre augmente, ce qui accro√ģt les chances que le m√©lange s'auto-d√©tone avant que le front de flamme produit par l'allumage de la bougie ne le consume ; c'est pourquoi le taux de compression des moteurs turbo est relativement bas, pour nous prot√©ger de l'auto-d√©tonation.

Rappelons que l'auto-d√©tonation, ou piq√Ľre de vilebrequin, n'est pas une d√©tonation pr√©matur√©e du m√©lange d'essence avant que le piston n'atteigne le point m√©dian sup√©rieur, mais une deuxi√®me ou troisi√®me d√©tonation, apr√®s l'allumage du m√©lange par la bougie. Au fur et √† mesure que le front de flamme avance en consommant le m√©lange, la pression et la temp√©rature du m√©lange air-essence non consomm√© augmentent. Si le front de flamme n'arrive pas √† temps, il peut s'auto-d√©toner, ce qui fait que le nouveau front de flamme atteint les parois du cylindre (ce qui ne se produit pas lors d'un allumage contr√īl√©), et peut √©galement briser la couche de protection thermique qui emp√™che le m√©lange en combustion de faire fondre le m√©tal du piston et le joint de culasse. En revanche, lorsque le m√©lange br√Ľle pr√©matur√©ment, avant la fin du temps de compression et que la bougie se d√©charge, on parle de pr√©-allumage et non d'auto-allumage.


L'indice d'octane √©lev√© de l'essence emp√™che l'auto-inflammation, car il offre une plus grande r√©sistance √† la combustion incontr√īl√©e. Avec des indices d'octane bas, il faut utiliser des taux de compression bas, ce qui explique pourquoi les anciens moteurs avaient des puissances sp√©cifiques si faibles.

Lorsque l'allumage est d√©clench√© par une bougie d'allumage, la combustion est centr√©e dans la zone de la chambre autour de l'√©tincelle, de sorte que le front de flamme ne progresse pas uniform√©ment, laissant des r√©sidus non consomm√©s, m√™me si le m√©lange air-essence est stŇďchiom√©trique. Les temp√©ratures √©lev√©es auxquelles se produit la d√©flagration √† l'int√©rieur du cylindre favorisent non seulement l'apparition d'oxydes d'azote (NOx), qui contribuent √† la pollution de notre air et augmentent les risques de pluies acides, mais aussi les (j'esp√®re) d√©j√† c√©l√®bres microparticules de suie, si petites que nous pouvons les respirer et qui, apr√®s s'√™tre d√©pos√©es dans nos poumons, peuvent provoquer des cancers.

Technique : allumage par compression pauvre (HCCI)

La combustion en mélange pauvre entre en jeu

Vous √™tes peut-√™tre plus familier avec le HCCI (Homogeneous Charged Compression Ignition). L'id√©e de base est d'obtenir un taux de compression plus √©lev√© en contr√īlant l'auto-d√©tonation du m√©lange air-essence dans la chambre de combustion, sans utiliser de bougie.

Comment cela fonctionne-t-il ?

Le premier problème auquel sont confrontés les constructeurs est le mot "homogène" dans la soupe alphabétique qu'est l'acronyme HCCI, car le cocktail air-essence doit être bien mélangé pour que la combustion soit efficace et ne laisse aucun résidu. Dans le cas de l'allumage par bougie, un bon mélange est également important, mais comme l'allumage est concentré dans la zone la plus proche de la bougie, il est moins important.


Si nous avons obtenu un mélange parfaitement homogène d'air et d'essence, à la fin de la course de compression, la pression et la température à l'intérieur de la chambre de combustion provoqueront l'inflammation en divers points du mélange, le consumant complètement et uniformément, sans laisser de résidu. Comme la combustion s'est produite de manière homogène et simultanée, il n'y a pas de front de flamme à très haute température, comme c'est le cas dans la combustion par bougie d'allumage.

Technique : allumage par compression pauvre (HCCI)

Qu'est-ce que cela signifie ? Eh bien, la combustion par allumage √† m√©lange pauvre est, dans certains cas, jusqu'√† 500 ¬ļC plus froide que la combustion par allumage command√©, ne d√©passant m√™me pas 1500 ¬ļC. Et gr√Ęce √† cette d√©flagration moins calorifique, aucun oxyde d'azote n'est produit pendant la phase d'explosion. En outre, les microparticules de suie canc√©rig√®nes ne sont pas produites, et les √©missions d'oxyde de carbone sont √©galement r√©duites de mani√®re significative. En outre, il y a moins de pertes d'√©nergie en raison de la diminution du transfert de chaleur (il y a moins de chaleur √† transf√©rer), d'o√Ļ un gain d'efficacit√© √©nerg√©tique.

De combien de compression parlons-nous ?

De l'ordre de 18:1, tr√®s √©lev√© pour un moteur √† essence, les SKYACTIV-G de Mazda fonctionnent √† 14:1, le taux de compression le plus √©lev√© de l'industrie. Et comme nous ajoutons plus d'air qu'il n'en faut pour consommer une part d'essence (rappelez-vous qu'un m√©lange stŇďchiom√©trique id√©al correspond √† un rapport de 14,7:1), nous disons que le m√©lange est pauvre, car il y a plus d'air que ce qui peut √™tre br√Ľl√© par goutte d'essence. Dans un m√©lange riche, c'est le contraire qui se produit : il y a plus d'essence que ce qui peut √™tre br√Ľl√© avec l'air dans le cylindre, de sorte qu'√† la fin de la combustion, il restera de l'essence non br√Ľl√©e ou elle sortira par les soupapes d'√©chappement.

Pourquoi aucune auto-d√©tonation incontr√īl√©e ne se produit dans ce cas ?

√Čtant donn√© que le m√©lange est homog√®ne et que la combustion par compression se produit simultan√©ment dans plusieurs parties de la chambre, il n'y a pas de zones √† l'int√©rieur de la chambre de combustion pr√©sentant des niveaux de pression diff√©rents, de sorte qu'il n'y a pas de risque d'auto-d√©tonation, sauf lorsque le moteur tourne √† pleine charge. Par cons√©quent, la strat√©gie d'allumage par compression en m√©lange pauvre est destin√©e √† √™tre appliqu√©e lorsque le moteur est √† charge faible ou partielle, ce qui n√©cessite une combustion par bougie d'allumage √† des moments pr√©cis. Cela signifie que les fabricants de bougies d'allumage pourront toujours gagner leur vie, mais que les utilisateurs de moteurs de ce type n'auront pas besoin d'autant de remplacements car ils les utiliseront beaucoup moins.

Cette idée est-elle nouvelle ?

L'histoire de l'automobile est vaste, riche et tr√®s longue, et s'il n'y a pas beaucoup de pr√©c√©dents pour l'allumage par compression en m√©lange pauvre, il existe de nombreux exemples o√Ļ les ing√©nieurs se sont inspir√©s des moteurs diesel pour tenter de r√©duire les √©missions de leurs moteurs √† essence.

Dans les ann√©es 1970, Honda a introduit le concept CVCC (Compound Vortex Controlled Combustion), dont la pr√©misse copiait le concept diesel de l'√©poque, √† savoir la combustion dans une antichambre. Cette technique a permis √† Honda de respecter les r√©glementations en mati√®re d'√©missions au Japon et aux √Čtats-Unis au cours des ann√©es 1970 sans avoir recours √† un convertisseur catalytique ou √† une soupape EGR (Exhaust Gas Recirculation). En outre, cette invention a permis √† Honda de continuer √† utiliser des carburateurs, contrairement aux autres syst√®mes de m√©lange pauvre connus √† l'√©poque, qui n√©cessitaient des syst√®mes d'injection co√Ľteux.

Comment y sont-ils parvenus ?

Comme dans la combustion par compression, le m√©lange air-essence dans le cylindre √©tait pauvre, mais le m√©lange dans l'antichambre √©tait riche. √Ä l'allumage, le front de flamme na√ģt dans l'antichambre et se propage √† travers les petits trous de la plaque m√©tallique qui s√©pare l'antichambre du cylindre, ce qui permet au front de flamme d'atteindre le m√©lange pauvre dans le cylindre et de le consommer compl√®tement, avec une r√©duction cons√©quente des √©missions de monoxyde de carbone.

General Motors a dout√© de l'efficacit√© de ce syst√®me et s'est moqu√© de Honda, affirmant qu'il ne convenait qu'aux petites voitures. La soci√©t√© japonaise a ripost√© en achetant une grosse voiture am√©ricaine, une Chevrolet Impala 5.7 V8 de 1973, en l'envoyant au Japon, en y adaptant le syst√®me CVCC et en la renvoyant aux √Čtats-Unis pour homologation. L'EPA a certifi√© que le syst√®me de la Civic √©tait √©galement valable pour un V8 am√©ricain assoiff√©.

Toyota a obtenu une licence pour utiliser ce système en 1975, sous le nom commercial TTC-V (Toyota Total Clean system-Vortex), et après avoir apporté ses propres modifications et l'avoir lancé commercialement en 1976, a cessé de l'utiliser en 1977, pour le réutiliser ensuite dans certains véhicules de la marque Daihatsu. Honda utilisera cette technologie pendant environ dix ans, de 1975 à 1986, jusqu'à ce qu'elle soit abandonnée pour faire place à l'utilisation de systèmes d'injection de carburant.

Et... quelque chose de plus récent qui est utilisé aujourd'hui ?

Apr√®s avoir constat√© les avantages de la technologie HCCI en termes d'efficacit√© √©nerg√©tique et l'avance prise par Mercedes dans tous les domaines lors de son entr√©e dans l'√®re du V6 turbo en Formule 1, on a sp√©cul√© sur le fait que Brixworth (√† ne pas confondre avec Brackley, o√Ļ sont fabriqu√©s les ch√Ęssis) utilisait cette technique dans ses moteurs. Avec l'ajout de MAHLE comme sponsor de Ferrari lors du Grand Prix du Canada 2015, et l'utilisation par les Italiens de jetons de modification du moteur lors de ce m√™me √©v√©nement, on pensait que la firme de Maranello avait √©galement adopt√© l'allumage par compression en m√©lange pauvre.

Toutefois, ces rumeurs ont été démenties car le HCCI nécessiterait l'utilisation de systèmes de calage variable afin de revenir à la combustion classique à pleine charge, et le calage variable est interdit par la réglementation actuelle. Enfin, il a été découvert que Brixworth et Maranello utilisent l'allumage par jet turbulent, plus connu sous le nom de TJI ou Turbulent Jet Ignition.

Une autre raison importante pour laquelle on a cru que Mercedes pourrait utiliser le HCCI en Formule 1 est qu'elle en fait la promotion depuis des ann√©es dans le cadre de son concept de moteur DiesOtto, qui, l√† encore, tente d'appliquer les meilleurs concepts des moteurs diesel aux moteurs √† essence. Il a √©t√© introduit en 2007 sous la forme d'un 4 cylindres de 1,8 litre, d√©veloppant 235 ch (130 ch/litre) et 400 Nm de couple, avec une injection directe d'essence, deux turbos √† g√©om√©trie variable, un taux de compression variable, une distribution variable et, bien s√Ľr, un allumage par compression en m√©lange pauvre ou HCCI. Selon Mercedes, le taux de compression variable est une n√©cessit√© pour tirer pleinement parti de l'injection directe et des turbos jumel√©s √† forte charge du moteur lorsque le HCCI n'est pas utilis√©.

Nous n'avons plus entendu parler d'eux depuis 2014.

Mais ils ne sont pas les seuls √† vouloir introduire la technologie HCCI dans nos moteurs. General Motors a annonc√© en 2009 le d√©veloppement de moteurs quatre cylindres √† allumage par compression en m√©lange pauvre, mais n'a pas encore pu l'appliquer aux moteurs commerciaux. Ils ont utilis√© les connaissances tir√©es de leur d√©veloppement et de leur recherche dans la famille de moteurs modulaires ECOTEC actualis√©e, que l'on retrouve dans la gamme Opel de ce c√īt√©-ci de l'Atlantique. En Cor√©e du Sud, Hyundai d√©veloppe son propre moteur HCCI, appel√© GDCI (Gasoline Direct Compression Ignition), √† la diff√©rence qu'il n'est pas question d'utiliser des bougies d'allumage, m√™me lorsque le moteur est √† pleine charge. Pour √©viter l'auto-d√©tonation, un m√©lange d'air froid est comprim√© avec de l'air chaud provenant du collecteur d'√©chappement (jusqu'√† 40%), et l'injection de carburant est retard√©e jusqu'√† ce que le piston atteigne le PMS dans la course de compression, maximisant ainsi la course d'explosion.

Mais la personne en qui nous avons vraiment confiance pour mettre cette technologie sur le march√© n'est autre que Mazda, car avec sa technologie SKYACTIV, Mazda a pari√© son avenir en faisant quelque chose de diff√©rent (quelque chose de tr√®s Mazda, bien s√Ľr), √† savoir s'opposer au downsizing et se concentrer sur la recherche de l'efficacit√© la plus √©lev√©e possible dans ses moteurs √† aspiration naturelle qui, ayant des cylindr√©es plus importantes que la concurrence, ont une consommation r√©elle beaucoup plus proche de celles d√©clar√©es que leurs rivaux suraliment√©s, les rightsizing.

Ironies de la vie, maintenant Mazda défend le dicton "Il n'y a pas de remplacement pour le déplacement".

Nous connaissons déjà la génération SKYACTIV actuelle, alors que nous réserve la prochaine ? Comme Guille nous l'a déjà dit, Mazda s'attend à pouvoir augmenter encore plus son taux de compression, en utilisant le HCCI, ce qui améliorera considérablement les niveaux d'efficacité de ses moteurs.

Mais ce n'est pas tout, car l'allumage par compression en mélange pauvre pourrait également faire son chemin vers les moteurs de type Wankel, et pas seulement vers le moteur SKYACTIV-R de la future RX-9 (que nous attendons en 2020), mais aussi vers d'autres moteurs rotatifs plus petits que Mazda a l'intention d'utiliser comme prolongateurs d'autonomie pour charger les batteries de ses véhicules électriques. Outre son poids et ses dimensions réduits, si l'on compare le bruit produit à 3 000 tr/min, le prolongateur de piston produit 92 dB, alors que le moteur rotatif de Mazda produit 87 dB : presque quatre fois moins de bruit (rappelons que les décibels sont mesurés sur une échelle logarithmique).

Alors, qu'est-ce que cela signifie ? Cela signifie que l'utilisateur dont le véhicule est équipé d'un prolongateur d'autonomie rotatif n'entendra rien au démarrage.

Certes, ce n'est pas le scénario idéal pour un moteur rotatif, mais tout ce qui le rend plus utile et augmente la probabilité que son utilisation se généralise est un plus, à mon avis.

Conclusions

Cela peut sembler nouveau pour nous - voler les idées des moteurs diesel pour améliorer nos moteurs à essence - mais la réalité est que les constructeurs essaient depuis des années d'apporter des techniques de moteurs à essence à nos voitures à essence. Par exemple, le downsizing n'est pas nouveau non plus ; si vous regardez cette page du numéro de décembre 1979 du magazine Popular Mechanics, vous pouvez lire comment GM et Chrysler choisissaient d'installer davantage de moteurs à quatre et six cylindres à la place de leurs V8 en raison des exigences du gouvernement américain en matière d'économie de carburant, et comment Ford, avec son concept de moteur PROCO (PROgrammed COmbustion), prévoyait de maintenir ses V8 sur le marché et de résister à la mode du moment. Si l'histoire est cyclique...

Technique : allumage par compression pauvre (HCCI)

Steve avait l'habitude de dire qu'"un bon artiste copie, [mais] les grands artistes volent". Voyons si les moteurs à essence parviennent à voler l'allumage par compression aux moteurs à essence.

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