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'œil à la phase de combustion du cycle Otto, où le mélange est allumé par les bougies d'allumage :


Parmi les quatre étapes du cycle d'Otto (admission, compression, explosion et échappement), seule l'étape d'explosion applique une force (énergie cinétique) à la rotation du vilebrequin. Cette force est à son tour "stockée" dans le volant d'inertie, auquel la boîte de vitesses est reliée 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 préconisé l'abandon des moteurs à aspiration naturelle au profit des turbocompresseurs, qui augmentent le rendement du moteur en introduisant de l'air comprimé dans la chambre de combustion : plus d'air permet de brûler plus d'essence et d'obtenir plus de puissance dans la phase d'explosion. Mais comme le mélange d'air et d'essence prend plus de pression à l'intérieur de la chambre de combustion, la température à laquelle le mélange est soumis à l'intérieur de la chambre augmente, ce qui accroît les chances que le mélange s'auto-détone 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 protéger de l'auto-détonation.

Rappelons que l'auto-détonation, ou piqûre de vilebrequin, n'est pas une détonation prématurée du mélange d'essence avant que le piston n'atteigne le point médian supérieur, mais une deuxième ou troisième détonation, après l'allumage du mélange par la bougie. Au fur et à mesure que le front de flamme avance en consommant le mélange, la pression et la température du mélange air-essence non consommé augmentent. Si le front de flamme n'arrive pas à temps, il peut s'auto-détoner, ce qui fait que le nouveau front de flamme atteint les parois du cylindre (ce qui ne se produit pas lors d'un allumage contrôlé), et peut également briser la couche de protection thermique qui empêche le mélange en combustion de faire fondre le métal du piston et le joint de culasse. En revanche, lorsque le mélange brûle prématurément, avant la fin du temps de compression et que la bougie se décharge, on parle de pré-allumage et non d'auto-allumage.


L'indice d'octane élevé de l'essence empêche l'auto-inflammation, car il offre une plus grande résistance à la combustion incontrôlée. Avec des indices d'octane bas, il faut utiliser des taux de compression bas, ce qui explique pourquoi les anciens moteurs avaient des puissances spécifiques si faibles.

Lorsque l'allumage est déclenché par une bougie d'allumage, la combustion est centrée dans la zone de la chambre autour de l'étincelle, de sorte que le front de flamme ne progresse pas uniformément, laissant des résidus non consommés, même si le mélange air-essence est stœchiométrique. Les températures élevées auxquelles se produit la déflagration à l'intérieur du cylindre favorisent non seulement l'apparition d'oxydes d'azote (NOx), qui contribuent à la pollution de notre air et augmentent les risques de pluies acides, mais aussi les (j'espère) déjà célèbres microparticules de suie, si petites que nous pouvons les respirer et qui, après s'être déposées dans nos poumons, peuvent provoquer des cancers.

La combustion en mélange pauvre entre en jeu

Vous êtes peut-être plus familier avec le HCCI (Homogeneous Charged Compression Ignition). L'idée de base est d'obtenir un taux de compression plus élevé en contrôlant l'auto-détonation du mélange 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.

Qu'est-ce que cela signifie ? Eh bien, la combustion par allumage à mélange pauvre est, dans certains cas, jusqu'à 500 ºC plus froide que la combustion par allumage commandé, ne dépassant même pas 1500 ºC. Et grâce à cette déflagration moins calorifique, aucun oxyde d'azote n'est produit pendant la phase d'explosion. En outre, les microparticules de suie cancérigènes ne sont pas produites, et les émissions d'oxyde de carbone sont également réduites de manière significative. En outre, il y a moins de pertes d'énergie en raison de la diminution du transfert de chaleur (il y a moins de chaleur à transférer), d'où un gain d'efficacité énergétique.

De combien de compression parlons-nous ?

De l'ordre de 18:1, très élevé pour un moteur à essence, les SKYACTIV-G de Mazda fonctionnent à 14:1, le taux de compression le plus élevé 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 mélange stœchiométrique idéal correspond à un rapport de 14,7:1), nous disons que le mélange est pauvre, car il y a plus d'air que ce qui peut être brûlé par goutte d'essence. Dans un mélange riche, c'est le contraire qui se produit : il y a plus d'essence que ce qui peut être brûlé avec l'air dans le cylindre, de sorte qu'à la fin de la combustion, il restera de l'essence non brûlée ou elle sortira par les soupapes d'échappement.

Pourquoi aucune auto-détonation incontrôlée ne se produit dans ce cas ?

Étant donné que le mélange est homogène et que la combustion par compression se produit simultanément dans plusieurs parties de la chambre, il n'y a pas de zones à l'intérieur de la chambre de combustion présentant des niveaux de pression différents, de sorte qu'il n'y a pas de risque d'auto-détonation, sauf lorsque le moteur tourne à pleine charge. Par conséquent, la stratégie d'allumage par compression en mélange pauvre est destinée à être appliquée lorsque le moteur est à charge faible ou partielle, ce qui nécessite une combustion par bougie d'allumage à des moments précis. 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 très longue, et s'il n'y a pas beaucoup de précédents pour l'allumage par compression en mélange pauvre, il existe de nombreux exemples où les ingénieurs se sont inspirés des moteurs diesel pour tenter de réduire les émissions de leurs moteurs à essence.

Dans les années 1970, Honda a introduit le concept CVCC (Compound Vortex Controlled Combustion), dont la prémisse copiait le concept diesel de l'époque, à savoir la combustion dans une antichambre. Cette technique a permis à Honda de respecter les réglementations en matière d'émissions au Japon et aux États-Unis au cours des années 1970 sans avoir recours à un convertisseur catalytique ou à une soupape EGR (Exhaust Gas Recirculation). En outre, cette invention a permis à Honda de continuer à utiliser des carburateurs, contrairement aux autres systèmes de mélange pauvre connus à l'époque, qui nécessitaient des systèmes d'injection coûteux.

Comment y sont-ils parvenus ?

Comme dans la combustion par compression, le mélange air-essence dans le cylindre était pauvre, mais le mélange dans l'antichambre était riche. À l'allumage, le front de flamme naît dans l'antichambre et se propage à travers les petits trous de la plaque métallique qui sépare l'antichambre du cylindre, ce qui permet au front de flamme d'atteindre le mélange pauvre dans le cylindre et de le consommer complètement, avec une réduction conséquente des émissions de monoxyde de carbone.

General Motors a douté de l'efficacité de ce système et s'est moqué de Honda, affirmant qu'il ne convenait qu'aux petites voitures. La société japonaise a riposté en achetant une grosse voiture américaine, une Chevrolet Impala 5.7 V8 de 1973, en l'envoyant au Japon, en y adaptant le système CVCC et en la renvoyant aux États-Unis pour homologation. L'EPA a certifié que le système de la Civic était également valable pour un V8 américain assoiffé.

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 ?

Après avoir constaté les avantages de la technologie HCCI en termes d'efficacité énergétique et l'avance prise par Mercedes dans tous les domaines lors de son entrée dans l'ère du V6 turbo en Formule 1, on a spéculé sur le fait que Brixworth (à ne pas confondre avec Brackley, où sont fabriqués les châssis) 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 même événement, on pensait que la firme de Maranello avait également adopté l'allumage par compression en mélange 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 années dans le cadre de son concept de moteur DiesOtto, qui, là encore, tente d'appliquer les meilleurs concepts des moteurs diesel aux moteurs à essence. Il a été introduit en 2007 sous la forme d'un 4 cylindres de 1,8 litre, développant 235 ch (130 ch/litre) et 400 Nm de couple, avec une injection directe d'essence, deux turbos à géométrie variable, un taux de compression variable, une distribution variable et, bien sûr, un allumage par compression en mélange pauvre ou HCCI. Selon Mercedes, le taux de compression variable est une nécessité pour tirer pleinement parti de l'injection directe et des turbos jumelés à forte charge du moteur lorsque le HCCI n'est pas utilisé.

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

Mais ils ne sont pas les seuls à vouloir introduire la technologie HCCI dans nos moteurs. General Motors a annoncé en 2009 le développement de moteurs quatre cylindres à allumage par compression en mélange pauvre, mais n'a pas encore pu l'appliquer aux moteurs commerciaux. Ils ont utilisé les connaissances tirées de leur développement et de leur recherche dans la famille de moteurs modulaires ECOTEC actualisée, que l'on retrouve dans la gamme Opel de ce côté-ci de l'Atlantique. En Corée du Sud, Hyundai développe son propre moteur HCCI, appelé GDCI (Gasoline Direct Compression Ignition), à la différence qu'il n'est pas question d'utiliser des bougies d'allumage, même lorsque le moteur est à pleine charge. Pour éviter l'auto-détonation, un mélange d'air froid est comprimé avec de l'air chaud provenant du collecteur d'échappement (jusqu'à 40%), et l'injection de carburant est retardée jusqu'à 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 marché n'est autre que Mazda, car avec sa technologie SKYACTIV, Mazda a parié son avenir en faisant quelque chose de différent (quelque chose de très Mazda, bien sûr), à savoir s'opposer au downsizing et se concentrer sur la recherche de l'efficacité la plus élevée possible dans ses moteurs à aspiration naturelle qui, ayant des cylindrées plus importantes que la concurrence, ont une consommation réelle beaucoup plus proche de celles déclarées que leurs rivaux suralimentés, 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...

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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