La propulsion du véhicule est habituellement obtenue au moyen de moteurs, à savoir dispositifs mécaniques capables de convertir l’énergie chimique d’un combustible en énergie mécanique. L’énergie chimique du combustible est d’abord convertie en chaleur par la combustion, puis la chaleur est convertie en travail mécanique. En effet, la chaleur produite par la combustion augmente la pression ou le volume spécifique, et grâce à son expansion, le travail mécanique est obtenu.

Dans les moteurs à combustion interne (MCI), les produits de combustion (par exemple l’air et le carburant) sont utilisés comme fluides de travail, tandis que dans les moteurs à combustion externe, la combustion produit le transfert de chaleur à un autre fluide de travail au moyen d’échangeurs de chaleur. En outre, alors que dans le MCI la combustion a lieu à l’intérieur du cylindre, dans les moteurs à combustion externe, la combustion est obtenue dans une chambre séparée, appelée habituellement brûleur.

Comme le processus de combustion d’un MCI modifie les caractéristiques du fluide de travail, le fonctionnement cyclique ne peut être obtenu que par un remplacement périodique du fluide de travail lui-même, c’est à dire par un cycle ouvert. Le terme «cycle» pour MCI se réfère ainsi au cycle de travail du moteur, et non pas à un cycle thermodynamique du fluide de travail. Les carburants doivent avoir des caractéristiques compatibles avec le fonctionnement du moteur, ce qui signifie que leurs produits de combustion doivent permettre d’être utilisés comme fluide de travail (par exemple, la combustion ne doit pas former de cendres comme dans une cheminée, ce qui entraînerait des problèmes dans le mécanisme du moteur).

Moteur à Combustion Interne

Les moteurs alternatifs à combustion interne sont généralement sélectionnés pour la propulsion de véhicules terrestres à quelques exceptions près (moteurs électriques pour tramways, trolleybus ou voitures électriques), en raison de leur densité de puissance favorable et leur relativement faible coût de fabrication et de service (par rapport aux turbines à gaz par exemple).

Dans un moteur alternatif, le mouvement du piston dans un cylindre, fermé à l’extrémité opposée par la culasse, produit une variation cyclique du volume du cylindre. Le piston est relié à une bielle et une manivelle et la rotation régulière de celui-ci provoque un mouvement cyclique du piston entre deux positions extrêmes, le point mort haut (PMH, le plus proche de la culasse) et le point mort bas (PMB, plus grande distance de la culasse). Ces deux positions correspondent respectivement au volume minimal de cylindre (volume mort, V0) et au volume maximal du cylindre (volume total, Vt). La différence entre les volumes max et min est appelée volume balayée ou cylindrée et nommée Vc. Et enfin, le rapport entre les volumes max et min est appelé taux de compression (τ).

Classification des moteurs à combustion interne

Les moteurs à combustion peuvent être classés en différentes catégories. Les deux plus importantes sont basées sur le processus de combustion (allumage commandé et allumage par compression) et le cycle de travail (2 temps vs 4 temps). Une classification supplémentaire peut être basée sur l’apport d’air (aspiration naturelle ou suralimentée), l’injection (injection indirecte ou directe), et le système de refroidissement (refroidissement à air ou à eau). Dans cet article, seules les différences entre les processus de combustion seront présentées.

Allumage commandé et allumage par compression

Allumage commandé

Dans les moteurs à allumage commandé, des carburants ayant une réactivité relativement faible sont utilisés, tels que l’essence, le gaz naturel comprimé (GNC) ou gaz de pétrole liquéfié (GPL). Ces combustibles sont mélangés avec l’air pour former du combustible, un mélange homogène air / carburant, et ensuite comprimés dans le moteur pour atteindre des températures de l’ordre de 700 K (400 ° C) et des pressions de 20 bar, sans aucune inflammation spontanée.

Ce comportement peut être expliqué par les caractéristiques moléculaires du carburant: les carburants utilisés dans les moteurs à allumage commandé sont faits de molécules à chaîne courte, et à structure rigide et compacte (comme le CH4 pour le GNC ou l’isooctane pour l’essence C8H18) pour lesquels, même à des températures et des pressions élevées, le temps nécessaire pour démarrer le processus de combustion est assez long. Cependant, cette notion ne doit pas être confondue avec la capacité d’un combustible liquide à s’évaporer à la température ambiante et former un mélange de combustion dans l’air ambiant. Cette capacité est élevée avec l’essence et engendre un risque d’explosion si une source d’allumage est fournie.

Dans les moteurs à allumage commandé, la combustion peut donc être initiée seulement (au moins pour une combustion classique) avec une source externe d’énergie comme une étincelle électrique. L’énergie apportée au mélange par la décharge électrique est faible (environ 10 mJ), mais est tout de même essentielle pour démarrer le processus de combustion.

Depuis le foyer de combustion engendré par l’étincelle, la combustion se propage ensuite à travers le mélange: Couche après couche, le front de flamme se déplace à travers la chambre, grâce notamment à un échange de chaleur par convection entre les gaz de combustion et le mélange frais, jusqu’à ce que les dernières zones loin de l’étincelle soient atteintes.

La vitesse du front de flamme est d’environ 20-40 m / s, et est fortement augmentée par la turbulence à l’intérieur du mélange (La turbulence augmente la surface entre les gaz frais et les gaz brûlés, ce qui augmente l’échange de chaleur et ainsi la vitesse de propagation de flamme). Comme l’intensité de turbulence augmente avec la vitesse du moteur et que la vitesse du front de flamme est proportionnelle à l’intensité de turbulence, la vitesse du front de flamme augmentera avec la vitesse du moteur, ce qui compense la réduction du temps disponible pour la combustion. Grace à cela, il n’y a presque pas de limitation en termes de vitesse moteur pour les moteurs à allumage commandé du point de vue de la combustion (Un moteur de Formule 1 peut fonctionner jusqu’à 20 000 tours par minute).

Cependant, le mélange air / carburant, lorsqu’il est maintenu à des températures et des pressions élevées pendant une période prolongée, peut éventuellement subir une auto-inflammation. Pour cette raison, des combustions anormales peuvent se produire lorsqu’une partie des gaz non brulés s’auto-enflamme spontanément avant l’arrivée du front de flamme. Cette combustion anormale provoque une brusque élévation de la pression dans le cylindre suivi d’ondes de pression à l’intérieur de la chambre de combustion qui sont transmises à travers la structure du moteur vers le milieu environnant. C’est ce qu’on appelle le cliquetis et cela peut causer des dommages au piston et au cylindre en raison des contraintes de fatigue thermique. Pour éviter l’apparition du cliquetis, les moteurs à allumage commandé doivent respecter plusieurs contraintes comme la limitation de la longueur maximale du trajet de la flamme (qui limite le diamètre maximal du cylindre, appelé alésage, à environ 100 mm) et les températures et pressions maximales admissibles pour les gaz frais (ce que limite à la fois le taux de compression et la pression de suralimentation).

En outre, des valeurs élevées de vitesse de flamme ne peuvent être atteintes que si le rapport air / carburant est très proche du rapport stoechiométrique: par conséquent, quand un moteur à allumage commandé doit être exploité à charge partielle, il est impossible de réduire simplement le carburant tout en maintenant inchangé la masse d’air admise dans le cylindre. Alors l’utilisation d’un dispositif pour réduire le débit d’air est nécessaire pour le contrôle de la charge (un papillon d’admission est souvent choisi), même si il est à l’origine de pertes d’efficacité à charge partielle.

[colored_box variation= »moss green » title= »Qu’est-ce que la stoechiométrie? »]La stoechiométrie est définie comme le point où, dans le mélange, tout l’oxygène est consommé et tout le carburant est brûlé. Pour l’essence, le rapport donné en masse est 14.7:1 (14,7 grammes d’air pour 1 gramme de carburant). [/colored_box]

Moteur à allumage par compression

Lorsque des combustibles avec une réactivité plus élevée sont utilisés, tels que le diesel, ils ne peuvent pas être mélangés avec de l’air et comprimés ensuite dans le cylindre car le processus de combustion se déclencherait spontanément pendant la phase de compression. En effet, le diesel est un mélange d’hydrocarbures qui peuvent être représentés par le cétane, C16H34, avec une longue chaîne droite de molécule dans laquelle les réactions préliminaires du processus d’oxydation procèdent assez rapidement à des températures et des pressions élevées.

Par conséquent, le diesel est injecté sous forme de spray liquide à haute pression dans l’air déjà comprimé, immédiatement avant le début souhaité de la combustion (en cas de combustion diesel classique). Les petites gouttelettes de carburant (environ 10 µm de diamètre), entourées par l’air comprimé chaud (environ 900 K), s’évaporent rapidement et le processus de combustion spontanée commence avec un délai d’auto-inflammation extrêmement court.

Différemment des moteurs à allumage commandé, la combustion dans le moteur diesel ne peut pas ajuster ses caractéristiques au temps disponible pour effectuer une combustion lié à l’augmentation de la vitesse du moteur (le temps requis pour l’évaporation du carburant, le mélange et le délai d’auto-inflammation ne peut pas diminuer lorsque la vitesse moteur augmente). Par conséquent, ces moteurs ne peuvent pas fonctionner à des vitesses supérieures à 5000 rpm.

Enfin, au contraire des moteurs à allumage commandé, il n’y a pas d’exigences strictes en termes de rapport air / carburant pour ce type de combustion. À charge partielle, la quantité de carburant injecté est réduite tout en conservant la même quantité d’air admise, sans qu’il soit besoin d’un dispositif de réduction d’air admis et donc sans pertes supplémentaires.

Source: Prof. Federico Millo, Politecnico di Torino

L’avis de Romain Nicolas :

Les deux types les plus communs de combustion (allumage commandé et à allumage par compression) sont aujourd’hui connus depuis longtemps et bien maîtrisés. Cependant, nous atteignons les limites de ces processus car les limites de polluants et de consommation de carburant établies par les normes sont plus en plus basses. Il devient de plus en plus coûteux d’atteindre ces normes avec les technologies classiques, et certains processus de combustion et architectures moteurs alternatifs sont testés dans des laboratoires et centres de recherche. Pensez-vous que les moteurs à allumage commandé et à allumage par compression tels que nous les connaissons aujourd’hui, seront remplacés par des solutions alternatives tels que les combustions HCCI, CAI, PCCI ou autre?