13 juin 2017

Eviter le cliquetis… ou pas

L’amélioration du rendement des moteurs à allumage commandé a été l’un des principaux thèmes mis en avant lors du dernier congrès SIA Powertrain des 7 et 8 juin derniers. De nombreuses études pour repousser les limites du cliquetis ont été décrites, ainsi que quelques projets que l’on croyait abandonnés sur la combustion par auto-inflammation.

Le rendement thermodynamique croît jusqu’à un certain seuil avec le rapport volumétrique, la première limite étant l’auto-allumage qui se caractérise par un cliquetis ou un pré-allumage, deux phénomènes de détonation qui peuvent être destructeurs pour les structures du moteur, notamment pistons et segments. Le cliquetis est une explosion d’une partie de la masse de mélange qui n’a pas encore été atteinte par le front de flamme amorcé par la bougie. Le pré-allumage, qui a lieu avant l’étincelle, commence par un front de flamme dû à un point chaud et il se termine souvent en cliquetis.

AVL a présenté les résultats d’une étude d’un moteur modulaire capable de délivrer 200 kW par litre de cylindrée. Un 1750 cm3 issu du 4 cylindres de l’Alfa Romeo 4C a été modifié pour développer 349 kW (474 ch) à 8000 tr/min, sa PME atteignant alors 30 bars (et 31 bars au couple maxi). Le risque de cliquetis est réduit par un refroidissement ciblé de la culasse, notamment autour des bougies et entre les soupapes d’échappement, l’emploi d’un alliage à haute conductivité thermique pour la culasse (aluminium-cuivre au lieu d’aluminium-silicium), une turbulence « tumble » élevée et une pression d’injection de 350 bars afin de parfaire l’atomisation du carburant.

L’injection d’eau est également une technique à laquelle on s’intéresse à nouveau. Egalement appliquée sur le projet mentionné précédemment, elle a été abordée par Plastic Omnium. L’injection d’eau supprime la nécessité de retarder l’allumage pour éviter le cliquetis comme celle d’enrichir le mélange sous pleine charge pour préserver les pistons, soupapes, turbocompresseur et pot catalytique d’une charge thermique excessive. L’équipementier propose un réservoir développé avec l’expérience acquise pour celui d’AdBlue (de post-dépollution SCR) car les contraintes sont similaires (système de dosage, remplissage et gestion du niveau, protection contre le gel). Plusieurs possibilités d’injection sont réalisables : indirecte, mélange avec l’essence en injection directe ou injection directe dédiée. Les injecteurs peuvent être à l’origine des composants prévus pour l’éthanol. Le centre de recherches FIAT étudie aussi cette solution en combinaison avec un fonctionnement en cycle Miller.

L’IFPEN et Aramco travaillent sur un concept d’indice d’octane à la demande dans lequel un carburant anti-cliquetis tel que l’éthanol en injection directe vient se mélanger à une essence à faible indice d’octane en injection indirecte, ce mélange étant adapté en continu selon la qualité de la combustion. Une réduction de 25% d’émissions de CO2 serait obtenue lors d’un fonctionnement avec 31 % d’éthanol.

Moteur 2-temps bicylindre
à balayage unidirectionnel

Bosch Motorsport exposait plusieurs équipements pour les moteurs de Formule 1 dont un système capable d’évaluer la qualité de combustion en se basant sur l’analyse de pression dans les cylindres en temps réel. Cette nouvelle méthode embarquée de détection du cliquetis sera détaillée dans un prochain dossier.

Tous les motoristes cherchent-ils à éliminer le cliquetis ? A l’opposé de ces travaux, les programmes concernant un fonctionnement en auto-allumage ont été nombreux dans le passé mais aucun d’eux n’a encore abouti à une commercialisation, exceptés ceux de Honda et Yamaha pour des motos et sur une courte période. Renault, Ricardo et quelques autres partenaires développent depuis quelques années un moteur 2-temps. Le projet présenté lors de ce congrès concerne un fonctionnement par auto-allumage CAI (Controlled Auto-Ignition) lors des faibles et moyennes charges avec transition à une combustion en front de flamme pour la pleine charge. Les essais au banc sont réalisés sur un bicylindre de 600 cm3 à balayage unidirectionnel (admission par lumières et échappement via des soupapes dans la culasse). La combustion CAI est notamment contrôlée par le déphasage de l’arbre à cames qui peut accroître le taux d’EGR interne (IGR) jusqu’à 80 % sous faible charge.

Fabien Redon d’Achates Power, qui nous avait déjà présenté leur concept de moteur diesel à pistons opposés, était venu de Californie pour décrire une version essence à allumage par compression nommée OPGCI (Opposed-Piston Gasoline Compression Ignition). Il s’agit également d’un 2-temps avec contrôle de l’auto-allumage par IGR. L’architecture à pistons opposés favorise ce type de combustion car le taux d’IGR peut être élevé et sur une grande plage de fonctionnement en raison de la grande section des lumières. Un rendement thermique indiqué supérieur à 52 % est annoncé.

Une alternative est le projet GDCI (Gasoline Direct injection Compression Ignition) de Delphi qui annonce un allumage par compression possible sur toute la plage de régime et de charge en contrôlant une injection et une distribution optimisées. Plusieurs injections sous une pression allant jusqu’à 350 bars sont effectuées pendant les phases d’admission et de compression afin d’obtenir une charge stratifiée et de contrôler le début d’auto-allumage. Sur cette 3ème génération du GDCI, le moteur peut fonctionner en mélange pauvre en produisant peu de NOx et de particules grâce une combustion à basse température et à un rapport volumétrique de 16 :1. Les essais avec un 4-cylindres de 2,2 l ont abouti à une consommation spécifique de seulement 205 g/kWh sous faible charge, soit un rendement de 42 %.


  Yvonnick Gazeau

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