Frontières en Génie Mécanique

Introduction et brève Histoire des moteurs à allumage par compression

Depuis que Rudolf Diesel a inventé le moteur à combustion interne qui portera finalement son nom, l’allumage par compression a été utilisé comme un moyen efficace et efficient d’initier la combustion dans les moteurs. Diesel a utilisé des huiles végétales pour inventer son nouveau moteur, car il n’y avait pas d’infrastructure pétrolière pour les carburants à cette époque. Le taux de compression élevé pour créer la pression et la température requises pour l’auto-allumage était une caractéristique du moteur à allumage par compression. Un mécanisme permettant d’injecter directement du carburant dans la chambre de combustion était également nécessaire. Au fil du temps, une infrastructure de distillats de pétrole est devenue disponible pour les carburants tels que l’essence (pour soutenir les moteurs à allumage commandé), le kérosène et le mazout (chauffage des maisons) et, bien sûr, le carburant diesel (Heywood, 1988).

Les avantages de l’allumage par compression et de l’injection directe de carburant dans la chambre de combustion se sont manifestés au cours des décennies suivantes de son développement. Le moteur à allumage par compression a intrinsèquement besoin d’un taux de compression élevé pour créer les conditions nécessaires à l’auto-allumage. Le taux de compression élevé est une caractéristique de conception pour améliorer l’efficacité. De plus, l’allumage par compression ne nécessitait pas d’étranglement pour contrôler la puissance de sortie du moteur. L’injection directe du carburant dans la chambre de combustion a fourni une résistance élevée au cliquetis, ce qui limite le taux de compression et, finalement, l’efficacité des moteurs à allumage commandé. Un avantage supplémentaire est que, sans limitation de cliquetis, les moteurs à allumage par compression peuvent avoir une augmentation généreuse de la pression d’admission par turbocompresseur, ce qui augmente encore l’efficacité et la densité de puissance.

En cours de route, de nombreux obstacles technologiques ont été rencontrés et surmontés – tels que la possibilité de fabriquer des pistons et des culasses capables d’atteindre de manière robuste les taux de compression élevés nécessaires à l’auto-allumage diesel, des préchambres pouvant tirer parti des injecteurs à pression relativement basse disponibles dans la chambre de combustion pleine à taux de compression élevé, une nouvelle technologie d’injection de carburant avec du carburant à très haute pression pour éliminer le besoin de préchambres et permettre une injection directe dans la chambre de combustion, et enfin, des commandes électroniques et des actionneurs pour fournir beaucoup plus contrôles précis du carburant, de l’air et des émissions pour répondre aux exigences strictes de la réglementation des émissions.

État actuel des moteurs à allumage par compression

Les moteurs à allumage par compression sont utilisés dans une variété d’applications commerciales et grand public à travers le monde, alimentant des dispositifs tels que de gros navires, des locomotives, des camions commerciaux, du matériel de construction et agricole, des groupes électrogènes et même des automobiles. Presque exclusivement, ces applications utilisent du carburant diesel pour la combustion. Un moteur diesel repose sur la facilité d’auto-allumage du carburant, une propriété chimique que les ingénieurs appellent indice / indice de cétane – une métrique dérivée empiriquement qui décrit la facilité d’auto-allumage du carburant. Les biodiesels sont également utilisés dans de nombreuses applications, en particulier dans les zones rurales et dans les pays en développement. Les biodiesels sont généralement fabriqués à partir d’huiles végétales qui ont été traitées chimiquement pour éliminer les produits à base de glycérine, laissant un ester méthylique (ou éthylique) d’acide gras (FAME). Les biodiesels tentent d’imiter les propriétés du carburant diesel et, bien qu’ils puissent être utilisés comme substitut de carburant, ils sont généralement utilisés comme agent de mélange avec le diesel pétrolier.

Il existe deux approches principales du moteur à allumage par compression: l’architecture à deux temps et l’architecture à quatre temps. Les très gros moteurs à allumage commandé (navire et locomotive, en particulier) ont tendance à être à deux temps, principalement parce que le régime moteur est limité à de faibles tours par minute (TR / min). Les moteurs CI à deux temps doivent avoir une source d’alimentation en air externe, telle qu’un turbocompresseur ou un compresseur (ou un hybride des deux dans certains cas), car l’air est forcé dans le cylindre via des orifices dans la chemise du cylindre. La figure 1 montre cette configuration. L’échappement est soit expulsé par un ensemble différent d’orifices (version à allumage par étincelle), soit par des soupapes à clapet dans la culasse (voir Figure 1). Les orifices d’admission d’air dans la chemise du cylindre s’ouvrent lorsque le piston tombe en dessous d’eux dans la course de puissance, permettant à l’air froid sous pression de pénétrer dans le cylindre. Lorsque le piston se dirige vers BDC dans la course de puissance, les soupapes d’échappement de la culasse commencent à s’ouvrir et l’échappement chaud commence à quitter le cylindre via les soupapes d’échappement montées sur le dessus. Alors que le piston continue de se diriger vers BDC, les orifices d’admission dans la chemise du cylindre s’ouvrent, laissant entrer de l’air frais dans le cylindre, ce qui force le dernier échappement à sortir des soupapes d’échappement supérieures. Ce processus de balayage se poursuit jusqu’à la fermeture des soupapes d’échappement (parfois autour de la position du piston à BDC). Les orifices d’admission sont toujours ouverts, de sorte que l’air frais continue dans le cylindre à partir du ventilateur, jusqu’à ce que le piston passe le haut des orifices d’admission sur la chemise, emprisonnant l’air dans le cylindre. Ensuite, cet air est chauffé et mis sous pression jusqu’à ce que le piston soit proche du PMH. L’injecteur de carburant crée une pulvérisation à haute pression dans l’air chaud comprimé, provoquant une auto-inflammation et une combustion. Le cycle recommence alors.

D’autre part, un moteur à allumage par compression à quatre temps fonctionne en introduisant de l’air du collecteur d’admission dans le cylindre pendant la course d’admission, du PMH au PMH (voir Figure 2), puis les soupapes d’admission se ferment et le piston recule ensuite vers le PMH tout en comprimant l’air à une température et une pression élevées. L’injecteur pulvérise le carburant dans la chambre de combustion, l’allumage se produit et le piston est forcé vers le bas à haute pression en raison de la combustion dans ce qu’on appelle la course de puissance. Enfin, les soupapes d’échappement s’ouvrent et le piston revient au PMH et force les produits de combustion des gaz d’échappement dans la course d’échappement. Le cycle se répète ensuite à partir d’ici.

Que le moteur soit à deux ou quatre temps, l’intention est de créer de l’air à haute pression et à haute température vers la fin de la partie de compression du cycle. Le carburant injecté est alors exposé à l’air haute pression et haute température et s’enflamme très rapidement. Le retard entre l’injection de carburant et l’auto-allumage est appelé retard d’allumage, qui est généralement de quelques angles de manivelle. Le carburant continue à être injecté sous forme de jet, qui présente une zone réactionnelle à la périphérie du jet et la réaction est contrôlée par la diffusion d’air dans la zone réactionnelle couplée à la diffusion du carburant vers l’extérieur de la zone réactionnelle. Ce processus de diffusion se produit en millisecondes, tandis que les réactions réelles se produisent à l’échelle de temps microseconde, de sorte que la mécanique des fluides de diffusion contrôle la vitesse de réaction.

Des efforts de recherche importants ont été déployés pour étudier les voies permettant d’améliorer l’efficacité, la signature des émissions, la fiabilité et la puissance de sortie des moteurs à CI. Les entreprises manufacturières, les universités et les laboratoires de recherche ont tous prêté leur expertise, leur équipement et leurs installations pour faire progresser la technologie des moteurs CI. Certaines de ces avancées incluent l’injection directe (DI) pour éliminer le besoin de préchambres et réduire le transfert de chaleur, des diagnostics optiques pour étudier la formation de polluants dans le cylindre, des capacités de simulation informatique avancées pour prédire et optimiser les performances du moteur CI, des efforts importants pour comprendre la chimie et la composition du carburant pour adapter le fonctionnement du moteur CI aux carburants disponibles localement. Alors que les ingénieurs et les scientifiques continuent d’appliquer leur expertise à l’étude fondamentale de la technologie des moteurs CI, il ne fait guère de doute que des progrès supplémentaires seront réalisés.

En quoi le Moteur CI est-il différent du moteur SI?

Il y a plusieurs raisons pour lesquelles les moteurs CI sont si populaires dans les applications commerciales et industrielles. Une raison importante est que le rendement énergétique inhérent des moteurs CI est supérieur à celui des moteurs SI. La nature de l’allumage par compression fournit quelques facteurs importants qui permettent un rendement énergétique élevé. Un facteur est le taux de compression élevé (Gill et al., 1954). Étant donné que les moteurs CI dépendent du carburant injecté dans le cylindre et du mélange de ce carburant avec l’air, le cliquetis du moteur est évité. Le cliquetis du moteur est l’une des principales limitations du taux de compression plus élevé dans les moteurs SI. Le deuxième facteur est le besoin éliminé d’étrangler le moteur pour contrôler la puissance de sortie. Là encore, du fait que le carburant est directement injecté et mélangé dans la chambre de combustion, la puissance du moteur CI peut être contrôlée simplement en ajustant la quantité de carburant injectée, contrairement aux moteurs SI où le carburant et l’air sont prémélangés et essentiellement homogènes à rapport de mélange constant (Heisler, 1999). Cela signifie que pour maintenir ce rapport de mélange constant, si le carburant est réduit, l’air doit également être réduit dans la même proportion. Cette gestion de l’air se fait avec une manette des gaz, ou restriction d’admission, et elle crée des pertes importantes d’échange de gaz ou de « pompage ». Le troisième facteur est le transfert de chaleur. Les moteurs CI sont capables de fonctionner « à faible consommation de carburant », ce qui signifie que le moteur consomme tout le carburant mais pas tout l’oxygène présent dans la chambre de combustion. Cela a tendance à produire des températures dans les cylindres plus basses et, par conséquent, un rejet de chaleur plus faible vers le liquide de refroidissement et l’échappement du moteur et un rendement plus élevé. Comme avantage supplémentaire, le gamma ou le rapport des chaleurs spécifiques Cp / Cv est plus élevé pour les moteurs à combustion pauvre que pour les moteurs fonctionnant à la stoechiométrie. Moins d’énergie thermique générée par les réactions de combustion est perdue dans les états d’excitation des espèces triatomiques plus grandes (vapeur de CO2 et de H2O). Cela signifie qu’une plus grande partie de l’énergie thermique est disponible pour augmenter la pression et la température du fluide de travail, ce qui crée un travail qui peut être extrait (Foster, 2013).

Cependant, il existe également plusieurs inconvénients au moteur CI qui méritent d’être mentionnés. Le moteur CI doit être conçu pour être très robuste pour supporter les pressions et températures élevées créées par des taux de compression élevés et des pressions d’admission accrues. Cela produit des conceptions de moteur qui ont une inertie de rotation élevée et limite ensuite le régime moteur maximal. Cela augmente également le coût, car tout le matériel doit être très durable. Un autre inconvénient des moteurs CI est la signature des émissions. Le recours à une combustion contrôlée par diffusion signifie qu’il existe une stratification importante entre le carburant et l’air, par opposition à l’homogénéité des mélanges essence / air dans les moteurs SI. Cette stratification crée des particules (PM) et des oxydes d’azote (NOx). Il a été découvert que ces produits indésirables de la combustion des CI présentent un danger pour la santé et nuisent à l’environnement. En substance, le moteur CI traditionnel n’a pas de problème d’efficacité, il a un problème d’émissions.

Qu’en est-il des carburants biosourcés?

Une grande partie des travaux actuels et prévisibles dans les moteurs à CI semble se concentrer sur l’utilisation de carburants alternatifs ou même de carburants multiples dans le but de conserver le rendement élevé (peut-être même de l’améliorer) tout en réduisant considérablement la signature des émissions nocives et la production de gaz à effet de serre. Les biocarburants sont une approche populaire, en particulier dans les économies en développement, pour contrer le problème des gaz à effet de serre et le coût des importations de pétrole. Les biocarburants sont généralement fabriqués à partir d’un certain type d’huile végétale et traités chimiquement pour créer un produit qui imite le diesel pétrolier de plusieurs façons. Plusieurs matières premières ont été utilisées de cette manière, en fonction des conditions de croissance locales et des cultures qui prospèrent dans ces conditions. Les huiles de soja, de canola, de graines de palme, de jatropha et de karanja, entre autres, ont été transformées en combustibles. Généralement, les biocarburants de ce type sont séparés en catégories, les huiles dérivées de plantes comestibles et celles dérivées de plantes non comestibles. Chimiquement, le combustible dérivé de plantes comestibles est plus facile et moins coûteux à transformer en combustibles. Cependant, cela peut également créer un défi « alimentaire ou énergétique » dans l’économie locale. Les biocarburants d’origine végétale non comestibles sont plus difficiles et plus coûteux à traiter, mais tendent à éviter la difficulté « alimentaire ou carburant ». Un défi pour le carburant biodiesel traditionnel est que le carburant lui-même contient de l’oxygène dans sa structure. Ce carburant oxygéné aura une teneur en énergie considérablement réduite par rapport au diesel pétrolier. Les réductions de la teneur en énergie sont généralement de l’ordre de 7 à 8% en volume par rapport au diesel pétrolier. Cela conduit à plus de volume de carburant consommé pour la même quantité d’énergie fournie. Des travaux plus récents ont été réalisés en ce qui concerne les carburants dérivés d’algues ou d’algues, qui offrent un potentiel de rendement beaucoup plus élevé que les biocarburants traditionnels (Frashure et al., 2009). Un autre sujet de recherche récent est la création de diesel « renouvelable » à partir du traitement hydrothermal ou autre de la biomasse pour extraire des hydrocarbures à longue chaîne similaires au carburant diesel pétrolier (Aatola et al., 2008). Le diesel renouvelable n’a pas tendance à être oxygéné, de sorte que la teneur en énergie a tendance à être la même que pour le diesel pétrolier. Pourtant, une autre approche pour créer du carburant diesel à partir de sources renouvelables et non renouvelables utilise un processus appelé Fischer-Tropsch (FT), appelé d’après les inventeurs allemands de ce procédé dans les années 1930. Les carburants FT sont dérivés du méthane, du charbon gazéifié ou de la biomasse gazéifiée pour créer des hydrocarbures à longue chaîne pouvant être utilisés comme carburant. Plusieurs acronymes sont utilisés pour ce type de carburant, en fonction de la matière première. Gaz-liquide (GTL), charbon-liquide (CTL) et biomasse-liquide (BTL) sont quelques-uns de ces acronymes. Le procédé FT crée un carburant diesel de très haute qualité – indice de cétane élevé, faible viscosité, absence de soufre et teneur en énergie élevée – mais le processus est également compliqué et coûteux, du moins à l’heure actuelle (Agarwal, 2004).

Quel est l’état de l’art pour les moteurs CI?

Les moteurs CI sont utilisés dans le monde entier comme sources de puissance motrice et stationnaire. Alors que les économies émergentes telles que l’Inde et la Chine augmentent leur demande de transport et d’électricité pour répondre à la demande économique, l’avenir des moteurs à combustion interne soulève de sérieuses questions face à une réglementation environnementale de plus en plus stricte, à une réglementation des gaz à effet de serre et à la demande de combustibles fossiles. Existe-t-il des stratégies qui permettront au moteur CI d’évoluer pour répondre à ces demandes présentes et futures du marché?

En utilisant du carburant diesel traditionnel, les ingénieurs ont fait des progrès intéressants dans l’amélioration de l’efficacité et la réduction des émissions en utilisant une technologie d’injection avancée comme les pompes à haute pression à rampe commune, les injecteurs de carburant piézo-actionnés, les turbomachines avancées et la récupération de chaleur résiduelle (thermoélectriques, etc.), et la quasi-élimination du soufre dans le carburant diesel. Le carburant peut maintenant être dosé beaucoup plus précisément dans la chambre de combustion pour créer des événements de combustion plus lisses et moins polluants. L’utilisation de la recirculation des gaz d’échappement (EGR) a permis aux ingénieurs de réduire la concentration en oxygène de l’air d’admission, offrant des températures de combustion maximales plus basses avec des réductions significatives des NOx. Les progrès du post-traitement, tels que les filtres à particules diesel (DPF), les catalyseurs déNOx (à la fois réduction catalytique sélective et piège pauvre) et les catalyseurs d’oxydation diesel (DOC), sont actuellement utilisés dans les moteurs à combustion interne modernes.

Les travaux de combustion avancés en cours ont généré des opportunités intéressantes dans l’amélioration de l’efficacité du moteur CI ainsi qu’une amélioration significative de la signature des émissions. Au fur et à mesure que les recherches progressent, il a été démontré qu’il est possible d’améliorer le prémélange du carburant et de l’air, tout en conservant la capacité de contrôler la puissance de sortie par l’alimentation en carburant (pas d’étranglement) et de conserver un taux de compression élevé. Diverses stratégies ont été utilisées pour atteindre ces objectifs. L’un est l’utilisation du bicarburant, communément appelé allumage par compression à réactivité contrôlée (RCCI). Dans les RCCI, un carburant à faible réactivité (comme l’essence, l’éthanol ou similaire) est injecté dans la chambre de combustion comme source primaire d’énergie et une très petite quantité d’un carburant à haute réactivité (comme le diesel, le biodiesel, etc.). Cela permet non seulement de faire fonctionner le moteur à faible consommation, ce qui réduit les températures de combustion maximales et améliore l’efficacité, mais fournit également une stratégie d’allumage positif pour éviter les ratés et conserver une robustesse élevée. RCCI dans les moteurs de recherche a démontré la possibilité d’atteindre des niveaux très élevés d’efficacité (principalement en raison d’un transfert de chaleur encore plus réduit que la combustion diesel traditionnelle) et de robustesse du contrôle. Le principal inconvénient de RCCI est l’exigence de deux injecteurs par cylindre (un pour chaque carburant) et l’exigence de transporter deux carburants distincts ou d’emporter un additif améliorant la réactivité pour le carburant à faible réactivité (Curran et al., 2013).

Une autre opportunité passionnante dans le monde des moteurs CI est l’utilisation d’un carburant à assez faible réactivité (essence, naphta, etc.) par rapport au diesel, mais utilisent toujours un moteur à allumage par compression et utilisent le long délai d’allumage de ces carburants pour fournir un certain niveau de prémélange tout en conservant suffisamment de stratification pour assurer le contrôle de la charge (Kalghatgi et al., 2007). L’allumage par compression d’essence (GCI) ou l’allumage par compression partiellement prémélangé (PPCI) tentent d’atteindre le même objectif que l’utilisation du bicarburant par le RCCIS, mais en stratifiant un carburant de manière précise. Cette commande d’allumage peut être assez difficile par rapport au RCCI, car elle dépend des caractéristiques de mélange local carburant / air en constante évolution plutôt que d’ajouter positivement un carburant à haute réactivité à un certain moment. L’avantage est qu’un seul carburant est nécessaire et un injecteur par cylindre.

Dans chacun des cas de RCCI et de PPCI, l’intention est de permettre un prémélange suffisant pour que les niveaux de particules soient bas et de faire fonctionner la combustion suffisamment pauvre ou diluée pour maintenir des températures de combustion maximales inférieures à 2 000 K, évitant ainsi la production de NOx thermiques. La robustesse de ces nouvelles approches de la combustion et de l’allumage est un défi relevé par plusieurs organismes de recherche à travers le monde (Johansson et al., 2014; Sellnau et coll., 2014).

Que réserve l’avenir aux moteurs CI ?

Au moins à partir de 2015, les moteurs CI détiennent une position dominante sur les marchés des véhicules utilitaires et des véhicules hors route. Au fur et à mesure que la pression réglementaire s’intensifiera dans le monde entier sur les émissions de gaz à effet de serre et la qualité de l’air, les moteurs CI continueront d’évoluer pour répondre à ces pressions. La combinaison de la densité énergétique élevée des carburants liquides, de la densité de puissance élevée des moteurs à allumage commandé et du coût de fabrication très faible, continuera de faire des moteurs à allumage commandé une solution populaire pour la production d’énergie motrice et stationnaire. Des recherches passionnantes sont en cours dans ce domaine pour améliorer l’efficacité, réduire les émissions, améliorer la technologie de post-traitement des émissions et d’énormes progrès ont été réalisés. Cependant, des progrès encore plus importants sont nécessaires, alors que la population mondiale dépasse les 7 milliards de personnes et que la demande d’électricité dans les pays en développement monte en flèche. La façon dont nous résolvons les défis liés aux transports et à l’énergie au cours des prochaines décennies donnera le ton à notre capacité en tant que société à maintenir à la fois un environnement habitable et un niveau de vie acceptable pour une population de plus en plus nombreuse dans le monde.

Déclaration sur les conflits d’intérêts

L’auteur déclare que la recherche a été menée en l’absence de relations commerciales ou financières pouvant être interprétées comme un conflit d’intérêts potentiel.

Remerciements

Le manuscrit soumis a été créé par UChicago Argonne, LLC, Exploitant du Laboratoire national d’Argonne (« Argonne »). Argonne, un laboratoire scientifique du Département de l’Énergie des États-Unis, est exploité en vertu du contrat No. DE-AC02-06CH11357. Le gouvernement des États-Unis conserve pour lui-même et pour d’autres personnes agissant en son nom une licence mondiale non exclusive et irrévocable payée dans ledit article pour reproduire, préparer des œuvres dérivées, distribuer des copies au public, et exécuter et afficher publiquement, par ou pour le compte du gouvernement. Cela n’affecte pas les droits d’autrui de republier et de redistribuer selon les conditions de CC-BY (www.creativecommons.org L’auteur tient à souligner le soutien financier du Bureau des Technologies des véhicules du Ministère de l’Énergie, Programme de combustion avancée des moteurs, géré par M. Gurpreet Singh.