La propulsion du véhicule est généralement obtenue au moyen de moteurs, également appelés prime movers, c’est-à-dire des dispositifs mécaniques capables de convertir l’énergie chimique d’un carburant en énergie mécanique. D’ailleurs, le terme anglais « engine », est susceptible d’avoir une origine française dans l’ancien mot français « engin » qui à son tour proviendrait du latin « ingenium » (partageant la même racine de « ingénieur » ou « engineer »).
L’énergie chimique du combustible est d’abord convertie en chaleur par combustion, puis la chaleur est convertie en travail mécanique au moyen d’un milieu de travail. Ce milieu de travail peut être un liquide ou un gaz. En effet, la chaleur produite par la combustion augmente sa pression ou son volume spécifique, et grâce à sa dilatation, un travail mécanique est obtenu.
Dans les moteurs à combustion interne (ICE), les produits de combustion (p.ex. air et carburant) sont eux-mêmes utilisés comme milieu de travail, tandis que dans les moteurs à combustion externe, les produits de combustion transfèrent la chaleur vers un milieu de travail différent au moyen d’un échangeur de chaleur. De plus, alors que dans la GLACE la combustion a lieu à l’intérieur du cylindre, dans les moteurs à combustion externe, la combustion est obtenue dans une chambre séparée, généralement appelée brûleur.
Étant donné que le processus de combustion d’une GLACE modifie les caractéristiques du milieu de travail, le fonctionnement cyclique ne peut être obtenu que par un remplacement périodique du milieu de travail lui-même, c’est-à-dire par un cycle ouvert. Le terme « cycle » pour la GLACE désigne donc le cycle de travail du moteur qui doit être périodiquement remplacé, et non un cycle thermodynamique du fluide de travail. Les carburants doivent avoir des caractéristiques compatibles avec le fonctionnement de la GLACE, ce qui signifie que leurs produits de combustion doivent permettre d’être utilisés comme milieu de travail (par exemple, la combustion ne doit pas former de cendres comme dans votre cheminée, ce qui provoquerait un collage du mécanisme du moteur).
Moteur à combustion interne
Les moteurs à combustion interne alternatifs sont généralement sélectionnés pour la propulsion des véhicules terrestres à quelques exceptions près (moteurs électriques pour tramways, trolleybus ou voitures électriques), en raison de leur densité de puissance favorable et de leurs coûts de fabrication et de service relativement faibles (par rapport aux turbines à gaz par exemple).
Dans la GLACE alternative, le mouvement d’un 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 tige et une manivelle à l’arbre, dont la rotation régulière 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 (BDC, la plus grande distance de la culasse). Ces deux positions correspondent respectivement au volume minimal du cylindre (volume de jeu, Vc) et au volume maximal du cylindre (volume total, Vt). La différence entre le volume max et le volume min est appelée volume balayé ou déplacement du cylindre et nommée Vd. Et enfin, le rapport entre le volume max et le volume min est appelé taux de compression (rc).
Classification de la glace
Les moteurs à combustion peuvent être classés en différentes catégories. Les deux plus importants sont basés sur le processus de combustion (allumage par étincelle vs allumage par compression) et sur le cycle de travail (2 temps vs 4 temps). Une classification supplémentaire peut être basée sur l’admission d’air (à aspiration naturelle ou turbocompressée), l’alimentation en carburant (injection indirecte ou directe) et le système de refroidissement (refroidi par air ou refroidi par eau). Dans cet article, seules les différences entre les processus de combustion seront présentées.
Allumage par étincelle et allumage par compression
Allumage par étincelle
Dans les moteurs à allumage commandé, des carburants à réactivité relativement faible sont utilisés tels que l’essence, le Gaz Naturel Comprimé (GNC) ou le gaz de pétrole liquéfié (GPL). Ces carburants sont mélangés à de l’air pour former le mélange combustible homogène air/carburant, puis comprimés dans le moteur pour atteindre des températures d’environ 700 K (400 °C) et des pressions d’environ 20 bars, sans allumage spontané.
Ce comportement s’explique par les caractéristiques des molécules de carburant : les carburants hydrocarbonés utilisés dans les moteurs à allumage commandé (SI) sont constitués de molécules à chaîne courte, de structure rigide et compacte (telles que CH4 pour le GNC ou iso-octane C8H18 pour l’essence) pour lesquelles même à des températures et pressions élevées, le temps nécessaire pour démarrer le processus de combustion est assez long. Cependant, ce concept ne doit pas être confondu avec la capacité d’un combustible liquide à s’évaporer à température ambiante et à former un mélange combustible dans l’air ambiant. Cette capacité est élevée avec l’essence et détermine le risque d’explosion si une source d’inflammation est fournie.
Dans les moteurs SI, le processus de combustion ne peut ainsi être démarré que (au moins pour une combustion classique) avec une source d’énergie externe telle qu’une étincelle électrique. L’énergie ajoutée au mélange par la décharge électrique est faible (environ 10 MJ de magnitude) mais est de toute façon essentielle pour démarrer le processus de combustion.
À partir du premier noyau enflammé par l’étincelle, la combustion se propage ensuite à travers le mélange: couche après couche, le front de flamme traverse la chambre, principalement grâce à un échange de chaleur par convection entre les gaz brûlés et le mélange frais, jusqu’à atteindre les dernières zones (appelées « gaz d’extrémité ») éloignées de l’étincelle.
La vitesse du front de flamme est d’environ 20 à 40 m / s et augmente considérablement avec la turbulence à l’intérieur du mélange (la turbulence augmente la surface entre le gaz frais et le gaz brûlé, donc l’échange de chaleur augmente et donc la vitesse de propagation de la flamme). Étant donné que l’intensité de la turbulence augmente avec le régime moteur et que la vitesse avant de la flamme est proportionnelle à l’intensité de la turbulence, la vitesse avant de la flamme augmente avec le régime moteur, compensant ainsi la réduction du temps disponible pour la combustion. Grâce à cela, il n’y a presque aucune limitation en termes de régime moteur pour les moteurs SI du point de vue de la combustion (le moteur de Formule 1 peut tourner jusqu’à 20 000 tours par minute).
Cependant, le mélange air / carburant, lorsqu’il est maintenu à des températures et à des pressions élevées pendant une période prolongée, peut éventuellement subir un auto-allumage. Pour cette raison, des combustions anormales peuvent se produire lorsque l’auto-gaz d’extrémité s’enflamme spontanément avant l’arrivée du front de flamme. Cette combustion anormale provoque une augmentation soudaine de la pression des cylindres suivie d’ondes de pression à l’intérieur de la chambre de combustion qui sont transmises à travers la structure du moteur à l’environnement environnant. Ceci est appelé « cliquetis » et peut endommager le piston et le cylindre en raison des contraintes de fatigue thermique. Pour éviter l’apparition de cliquetis, le moteur SI doit respecter plusieurs limitations concernant la longueur maximale du trajet de la flamme (qui limite le diamètre maximal du cylindre appelé alésage à environ 100 mm) et la température et la pression maximales admissibles du gaz d’extrémité (frais) (qui limitent à la fois le taux de compression et la pression de suralimentation).
De plus, des valeurs élevées de vitesse de flamme ne peuvent être atteintes que si le rapport air / carburant est assez proche du rapport stoechiométrique:par conséquent, lorsqu’un moteur SI doit fonctionner à charge partielle, il est impossible de réduire uniquement le carburant tout en maintenant inchangée la masse d’air dans le cylindre. Ensuite, l’utilisation d’un dispositif de réduction du débit massique d’air est nécessaire pour le contrôle de la charge (un papillon d’admission est souvent choisi) même s’il entraîne des pénalités d’efficacité à charge partielle.
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 massique est de 14,7: 1 (14,7 grammes d’air pour 1 gramme de carburant).
Allumage par compression
Lorsque des carburants à réactivité plus élevée sont utilisés, tels que le diesel, ils ne peuvent pas être mélangés à de l’air et ensuite être comprimés dans le cylindre car sinon le processus de combustion démarrerait spontanément pendant la course de compression. En effet, le carburant diesel est un mélange d’hydrocarbures que l’on peut représenter par le cétane, C16H34, avec une molécule à longue chaîne droite dans laquelle les réactions préliminaires du processus d’oxydation se déroulent assez rapidement à des températures et pressions élevées.
Par conséquent, le carburant diesel est injecté sous forme de pulvérisation de liquide à haute pression dans l’air déjà comprimé, immédiatement avant le début de la combustion souhaité (en cas de combustion diesel classique). Les petites gouttelettes de carburant (environ 10 µm de diamètre), entourées d’air comprimé chaud (environ 900 K), s’évaporent rapidement et le processus de combustion démarre spontanément avec un délai d’allumage extrêmement court.
Contrairement aux moteurs SI, le processus de combustion dans un moteur diesel ne peut pas auto-ajuster ses caractéristiques au temps disponible pour effectuer la combustion lié à l’augmentation du régime moteur (c.-à-d. le temps demandé pour l’évaporation du carburant, le retard de mélange et d’allumage ne diminuera pas avec l’augmentation du régime moteur). Par conséquent, ces moteurs ne peuvent pas fonctionner à des vitesses supérieures à 5000 tr / min.
Enfin, contrairement aux moteurs SI, 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 injectée est réduite tout en maintenant la même quantité d’air introduit, sans aucun dispositif d’étranglement et ensuite sans perte supplémentaire.
Source: Prof. Federico Millo, Politecnico di Torino
Romain Nicolas avis:
Les deux types de combustion les plus courants (allumage par étincelle et allumage par compression) sont aujourd’hui connus depuis longtemps et bien maîtrisés. Cependant, nous atteignons les limites de ces processus à mesure que les limites de pollution et de consommation de carburant fixées par les normes diminuent de plus en plus. Il devient de plus en plus coûteux d’atteindre ces normes, et certains procédés de combustion alternatifs et architectures de moteurs sont testés dans des laboratoires et des 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 comme CAI, PCCI, bicombustion ou autre?