Allumage par compression de charge homogène HCCI

Dans une quête d'amélioration continue du rendement énergétique et de réduction des émissions, une idée ancienne et très prometteuse a trouvé un nouveau souffle. La technologie HCCI (Homogeneous Charge Compression Ignition) existe depuis longtemps mais a récemment reçu une attention et un enthousiasme renouvelés. Alors que les premières années ont vu de nombreux obstacles insurmontables (à l'époque) dont les réponses ne viendraient que lorsque l'électronique sophistiquée contrôlée par ordinateur aurait été développée et mûrie en technologies fiables, les progrès se sont arrêtés. Le temps a, comme toujours, opéré sa magie et presque tous les problèmes ont été résolus. HCCI est une idée dont le temps est venu avec presque toutes les pièces et pièces de technologie et de savoir-faire en place pour en faire un vrai coup.

Qu'est-ce que HCCI?

Un moteur HCCI est un mélange de technologie conventionnelle d'allumage par étincelle et d'allumage par compression diesel. Le mélange de ces deux conceptions offre un rendement élevé semblable à celui du diesel sans les difficultés - et les coûts élevés - à gérer les émissions de NOx et de particules. Dans sa forme la plus élémentaire, cela signifie simplement que le carburant (essence ou E85) est mélangé de manière homogène (complètement et complètement) avec de l'air dans la chambre de combustion (très similaire à un moteur à essence à allumage commandé), mais avec une proportion très élevée de air à carburant (mélange pauvre). Alors que le piston du moteur atteint son point le plus haut (point mort haut) sur la course de compression, le mélange air / carburant s'enflamme automatiquement (se brûle spontanément et complètement sans assistance de bougie) à partir de la chaleur de compression, un peu comme un moteur diesel. Le résultat est le meilleur des deux mondes: faible consommation de carburant et faibles émissions.

Comment fonctionne HCCI?

Dans un moteur HCCI (qui est basé sur le cycle Otto à quatre temps), le contrôle de la distribution de carburant est d'une importance capitale pour contrôler le processus de combustion. Lors de la course d'admission, le carburant est injecté dans la chambre de combustion de chaque cylindre via des injecteurs de carburant montés directement dans la culasse. Ceci est réalisé indépendamment de l'induction d'air qui a lieu à travers le plénum d'admission. À la fin de la course d'admission, le carburant et l'air ont été complètement introduits et mélangés dans la chambre de combustion du cylindre.

Lorsque le piston commence à remonter pendant la course de compression, la chaleur commence à s'accumuler dans la chambre de combustion. Lorsque le piston atteint la fin de cette course, une chaleur suffisante s'est accumulée pour provoquer la combustion spontanée du mélange carburant / air (aucune étincelle n'est nécessaire) et forcer le piston vers le bas pour la course de puissance. Contrairement aux moteurs à explosion classiques (et même aux moteurs diesel), le processus de combustion est une libération d'énergie pauvre, à basse température et sans flamme dans toute la chambre de combustion. L'ensemble du mélange de carburant est brûlé simultanément pour produire une puissance équivalente, mais en utilisant beaucoup moins de carburant et en libérant beaucoup moins d'émissions dans le processus.

À la fin de la course de puissance, le piston inverse à nouveau la direction et déclenche la course d'échappement, mais avant que tous les gaz d'échappement puissent être évacués, les soupapes d'échappement se ferment tôt, emprisonnant une partie de la chaleur de combustion latente. Cette chaleur est préservée et une petite quantité de carburant est injectée dans la chambre de combustion pour une pré-charge (pour aider à contrôler les températures de combustion et les émissions) avant le début de la prochaine course d'admission.

Défis pour HCCI

Un problème de développement permanent avec les moteurs HCCI est le contrôle du processus de combustion. Dans les moteurs à étincelles traditionnels, le calage de la combustion est facilement ajusté par le module de commande de gestion du moteur qui modifie l'événement d'allumage et peut-être la distribution de carburant. Ce n'est pas si facile avec la combustion sans flamme de HCCI. La température de la chambre de combustion et la composition du mélange doivent être étroitement contrôlées à l'intérieur de seuils très rapides et très étroits qui incluent des paramètres tels que la pression du cylindre, la charge du moteur et les régimes et la position du papillon, les températures extrêmes de l'air ambiant et les changements de pression atmosphérique. La plupart de ces conditions sont compensées par des capteurs et des ajustements automatiques à des actions normalement fixes par ailleurs. Sont inclus des capteurs de pression de cylindre individuels, une levée de soupape hydraulique variable et des phaseurs électromécaniques pour le calage des arbres à cames. L'astuce n'est pas tant de faire fonctionner ces systèmes que de les faire fonctionner ensemble, très rapidement, et sur plusieurs milliers de kilomètres et d'années d'usure. Il sera peut-être tout aussi difficile de garder ces systèmes de contrôle avancés à un prix abordable.

Avantages de HCCI

• La combustion pauvre améliore de 15% l'efficacité énergétique par rapport à un moteur à allumage commandé conventionnel.
• Combustion plus propre et émissions plus faibles (en particulier NOx) qu'un moteur à allumage commandé conventionnel.
• Compatible avec l'essence et le carburant E85 (éthanol).
• Le carburant est brûlé plus rapidement et à des températures plus basses, ce qui réduit les pertes d'énergie thermique par rapport à un moteur à explosion traditionnel.
• Le système d'induction sans papillon élimine les pertes par pompage par friction subies dans les moteurs à étincelles traditionnels (corps de papillon).

Inconvénients de HCCI

• Des pressions de cylindre élevées nécessitent une construction de moteur plus solide (et plus coûteuse).
• Plage de puissance plus limitée qu'un moteur à explosion classique.
• Les nombreuses phases des caractéristiques de combustion sont difficiles (et plus coûteuses) à contrôler.

Il est clair que la technologie HCCI offre un rendement énergétique et un contrôle des émissions supérieurs à ceux du moteur à essence à allumage commandé conventionnel. Ce qui n'est pas encore certain, c'est la capacité de ces moteurs à fournir ces caractéristiques à peu de frais et, probablement plus important encore, de manière fiable pendant la durée de vie du véhicule. Les progrès continus dans les contrôles électroniques ont amené HCCI au bord du gouffre de la réalité réalisable, et d'autres améliorations seront nécessaires pour le pousser au-delà des limites dans les véhicules de production de tous les jours.