Essai routier diesel et essence: types
La confrontation tendue entre les moteurs diesel et à essence atteint son paroxysme. Turbo dernier cri, systèmes d'injection directe à rampe commune pilotés électroniquement, taux de compression élevés, la rivalité rapproche les deux types de moteurs… Et soudain, au milieu d'un duel séculaire, un nouvel acteur fait soudain son apparition. une place sous le soleil.
Après de nombreuses années d'abandon, les concepteurs ont redécouvert l'énorme potentiel du moteur diesel et accéléré son développement grâce à l'introduction intensive de nouvelles technologies. Il est arrivé au point que ses performances dynamiques se rapprochaient des caractéristiques d'un concurrent à essence et ont permis la création de voitures jusqu'alors impensables telles que le Volkswagen Race Touareg et l'Audi R10 TDI avec des ambitions de course plus que sérieuses. La chronologie des événements des quinze dernières années est bien connue... Les moteurs diesel des 1936 ne différaient pas fondamentalement de leurs ancêtres, créés par Mercedes-Benz en 13. Il s'en est suivi un processus d'évolution lente qui, ces dernières années, s'est transformé en une puissante explosion technologique. À la fin des années 1, Mercedes a recréé le premier turbodiesel automobile, à la fin des années XNUMX, l'injection directe a fait ses débuts dans le modèle Audi, les diesels ultérieurs ont reçu des têtes à quatre soupapes et, à la fin des XNUMX, les systèmes d'injection à rampe commune à commande électronique sont devenus une réalité. ... Pendant ce temps, l'injection directe de carburant à haute pression a été introduite dans les moteurs à essence, où le taux de compression atteint aujourd'hui XNUMX: XNUMX dans certains cas. Récemment, la technologie turbo connaît également une renaissance, les valeurs de couple des moteurs à essence commençant à se rapprocher de manière significative des valeurs de couple du célèbre turbo diesel flexible. Cependant, parallèlement à la modernisation, une tendance soutenue vers une augmentation sérieuse du prix du moteur à essence persiste... Ainsi, malgré les préjugés prononcés et la polarisation des opinions concernant les moteurs à essence et diesel dans différentes parties du monde, ni l'un ni l'autre les deux rivaux acquièrent une domination tangible.
Malgré la coïncidence des qualités des deux types d'unités, il existe encore d'énormes différences dans la nature, le caractère et le comportement des deux moteurs thermiques.
Dans le cas d'un moteur à essence, le mélange d'air et de carburant évaporé se forme sur une période de temps beaucoup plus longue et commence bien avant le début du processus de combustion. Que vous utilisiez un carburateur ou des systèmes d'injection directe électroniques modernes, le but du mélange est de produire un mélange de carburant uniforme et homogène avec un rapport air-carburant bien défini. Cette valeur est généralement proche du "mélange stoechiométrique", dans lequel il y a suffisamment d'atomes d'oxygène pour pouvoir (théoriquement) se lier dans une structure stable avec chaque atome d'hydrogène et de carbone dans le carburant, ne formant que du H20 et du CO2. Parce que le taux de compression est suffisamment faible pour éviter l'auto-inflammation prématurée et incontrôlée de certaines substances dans le carburant en raison d'une température de compression élevée (la fraction essence est constituée d'hydrocarbures avec une température d'évaporation beaucoup plus basse et une température de combustion beaucoup plus élevée). auto-allumage de ceux de la fraction diesel), l'allumage du mélange est initié par une bougie et la combustion se produit sous la forme d'un front se déplaçant à une certaine vitesse limite. Malheureusement, des zones avec des processus incomplets se forment dans la chambre de combustion, entraînant la formation de monoxyde de carbone et d'hydrocarbures stables, et lorsque le front de flamme se déplace, la pression et la température à sa périphérie augmentent, ce qui entraîne la formation d'oxydes d'azote nocifs ( entre l'azote et l'oxygène de l'air), les peroxydes et les hydroperoxydes (entre l'oxygène et le carburant). L'accumulation de ces dernières à des valeurs critiques conduit à une combustion par détonation incontrôlée, par conséquent, dans les essences modernes, des fractions de molécules avec une "construction" chimique relativement stable et difficile à faire exploser sont utilisées - un certain nombre de processus supplémentaires sont effectués dans les raffineries pour atteindre une telle stabilité. y compris une augmentation de l'indice d'octane du carburant. En raison du rapport de mélange largement fixe que les moteurs à essence peuvent faire fonctionner, le papillon des gaz y joue un rôle important, par lequel la charge du moteur est régulée en ajustant la quantité d'air frais. Cependant, il devient à son tour une source de pertes importantes en mode charge partielle, jouant le rôle d'une sorte de "bouchon de gorge" du moteur.
L'idée du créateur du moteur diesel, Rudolf Diesel, est d'augmenter significativement le taux de compression, et donc le rendement thermodynamique de la machine. Ainsi, la surface de la chambre à carburant diminue et l'énergie de combustion n'est pas dissipée à travers les parois du cylindre et du système de refroidissement, mais est "dépensée" entre les particules elles-mêmes, qui dans ce cas sont beaucoup plus proches les unes des autres autre. Si un mélange air-carburant pré-préparé pénètre dans la chambre de combustion de ce type de moteur, comme dans le cas d'un moteur à essence, alors lorsqu'une certaine température critique est atteinte pendant le processus de compression (en fonction du taux de compression et du type de carburant ), le processus d'auto-inflammation sera initié bien avant GMT. combustion volumétrique incontrôlée. C'est pour cette raison que le gazole est injecté au dernier moment, peu avant GMT, à très haute pression, ce qui crée un manque de temps important pour une bonne évaporation, diffusion, mélange, auto-allumage et la nécessité d'une limite de vitesse de pointe qui dépasse rarement la limite. à partir de 4500 tr/min Cette approche fixe des exigences appropriées pour la qualité du carburant, qui dans ce cas est une fraction de carburant diesel - principalement des distillats purs avec une température d'auto-inflammation nettement inférieure, car une structure plus instable et de longues molécules sont une condition préalable à leur plus facile rupture et réaction avec l'oxygène.
Une caractéristique des processus de combustion d'un moteur diesel sont, d'une part, des zones avec un mélange enrichi autour des trous d'injection, où le carburant se décompose (fissures) à partir de la température sans oxydation, se transformant en une source de particules de carbone (suie), et d'autre part. dans lequel il n'y a pas du tout de carburant et, sous l'influence d'une température élevée, l'azote et l'oxygène de l'air entrent en interaction chimique, formant des oxydes d'azote. Par conséquent, les moteurs diesel sont toujours réglés pour fonctionner avec des mélanges moyennement pauvres (c'est-à-dire avec un excès d'air important), et la charge n'est contrôlée qu'en dosant la quantité de carburant injecté. Cela évite d'utiliser l'accélérateur, ce qui est un énorme avantage par rapport à leurs homologues à essence. Pour compenser certaines des lacunes du moteur à essence, les concepteurs ont créé des moteurs dans lesquels le processus de formation du mélange est ce que l'on appelle la "stratification de charge".
En mode charge partielle, le mélange stoechiométrique optimal est créé uniquement dans la zone autour des électrodes de bougie d'allumage en raison d'une injection spéciale d'un jet de carburant injecté, d'un flux d'air dirigé, d'un profil spécial des fronts de piston et d'autres méthodes similaires qui assurent l'allumage fiabilité. Dans le même temps, le mélange dans la majeure partie du volume de la chambre reste pauvre et, comme la charge dans ce mode ne peut être contrôlée que par la quantité de carburant fournie, le papillon des gaz peut rester complètement ouvert. Ceci, à son tour, conduit à une diminution simultanée des pertes et à une augmentation du rendement thermodynamique du moteur. En théorie, tout se présente bien, mais jusqu'à présent, le succès de ce type de moteur produit par Mitsubishi et VW n'a pas été glamour. En général, jusqu'à présent, personne ne peut se vanter d'avoir pleinement profité des avantages de ces solutions technologiques.
Et si vous combiniez « comme par magie » les avantages des deux types de moteurs ? Quelle serait la combinaison idéale d'une compression diesel élevée, d'une répartition homogène du mélange dans tout le volume de la chambre de combustion et d'un auto-allumage homogène dans le même volume ? Des études intensives en laboratoire d'unités expérimentales de ce type ces dernières années ont montré une réduction significative des émissions nocives dans les gaz d'échappement (par exemple, la quantité d'oxydes d'azote est réduite jusqu'à 99%!) Avec une augmentation de l'efficacité par rapport aux moteurs à essence . Il semble que l'avenir appartient bel et bien aux moteurs, que les constructeurs automobiles et les sociétés de conception indépendantes ont récemment regroupés sous le nom générique HCCI - Homogeneous Charge Compression Ignition Engines ou Homogeneous Charge Self Ignition Engines.
Comme beaucoup d'autres développements apparemment «révolutionnaires», l'idée de créer une telle machine n'est pas nouvelle et, jusqu'à présent, les tentatives pour créer un modèle de production fiable sont toujours infructueuses. Dans le même temps, les capacités croissantes du contrôle électronique des processus et la grande flexibilité des systèmes de distribution de gaz créent une perspective très réaliste et optimiste pour un nouveau type de moteur.
En fait, dans ce cas, il s'agit d'une sorte d'hybride des principes de fonctionnement des moteurs à essence et diesel. Un mélange bien homogénéisé, comme dans les moteurs à essence, entre dans les chambres de combustion du HCCI, mais il s'enflamme automatiquement sous l'influence de la chaleur de la compression. Le nouveau type de moteur ne nécessite pas non plus de papillon des gaz car il peut fonctionner avec des mélanges pauvres. Cependant, il convient de noter que dans ce cas, la signification de la définition de «pauvre» est significativement différente de la définition du diesel, puisque HCCI n'a pas un mélange complètement maigre et hautement enrichi, mais est une sorte de mélange uniformément pauvre. Le principe de fonctionnement implique l'allumage simultané du mélange dans tout le volume du cylindre sans front de flamme en mouvement uniforme et à une température beaucoup plus basse. Cela conduit automatiquement à une réduction significative de la quantité d'oxydes d'azote et de suie dans les gaz d'échappement et, selon un certain nombre de sources faisant autorité, à l'introduction massive de HCCI beaucoup plus efficaces dans la production automobile en série en 2010-2015. Sauvera l'humanité environ un demi-million de barils. huile quotidiennement.
Cependant, avant d'y parvenir, les chercheurs et les ingénieurs doivent surmonter la plus grande pierre d'achoppement du moment - l'absence d'un moyen fiable de contrôler les processus d'auto-inflammation en utilisant des fractions contenant des compositions chimiques, des propriétés et un comportement différents des carburants modernes. Un certain nombre de questions sont posées par le confinement des processus à différentes charges, révolutions et conditions de température du moteur. Selon certains experts, cela peut être fait en renvoyant une quantité mesurée avec précision de gaz d'échappement dans le cylindre, en préchauffant le mélange ou en modifiant dynamiquement le taux de compression, ou en modifiant directement le taux de compression (par exemple, le prototype SVC Saab) ou modification du moment de fermeture des vannes à l'aide de systèmes variables de distribution de gaz.
On ne sait pas encore comment le problème du bruit et des effets thermodynamiques sur la conception du moteur dus à l'auto-allumage d'une grande quantité de mélange frais à pleine charge sera éliminé. Le vrai problème est de démarrer le moteur à basse température dans les cylindres, car il est assez difficile d'initier l'auto-allumage dans de telles conditions. Actuellement, de nombreux chercheurs travaillent à éliminer ces goulots d'étranglement en utilisant les résultats d'observations de prototypes avec des capteurs pour le contrôle électronique continu et l'analyse des processus de travail dans les cylindres en temps réel.
Selon les experts des constructeurs automobiles travaillant dans cette direction, notamment Honda, Nissan, Toyota et GM, il est probable que des voitures combinées seront d'abord créées, capables de changer de mode de fonctionnement, et la bougie d'allumage sera utilisée comme une sorte d'assistant dans les cas. où HCCI connaît des difficultés. Volkswagen met déjà en œuvre un système similaire dans son moteur CCS (Combined Combustion System), qui fonctionne actuellement uniquement avec du carburant synthétique spécialement développé pour lui.
L'allumage du mélange dans les moteurs HCCI peut être effectué dans une large gamme de rapports entre le carburant, l'air et les gaz d'échappement (il suffit d'atteindre la température d'auto-inflammation), et un temps de combustion court entraîne une augmentation significative du rendement du moteur. Certains problèmes de nouveaux types d'unités peuvent être résolus avec succès en combinaison avec des systèmes hybrides, tels que l'Hybrid Synergy Drive de Toyota - dans ce cas, le moteur à combustion interne ne peut être utilisé que dans un certain mode optimal en termes de vitesse et de charge. au travail, contournant ainsi les modes dans lesquels le moteur peine ou devient inefficace.
La combustion dans les moteurs HCCI, obtenue grâce au contrôle intégré de la température, de la pression, de la quantité et de la qualité du mélange dans une position proche de GMT, est en effet un gros problème dans le contexte d'un allumage beaucoup plus simple avec une bougie d'allumage. D'autre part, HCCI n'a pas besoin de créer des processus turbulents, qui sont importants pour les moteurs à essence et en particulier les moteurs diesel, en raison de la nature volumétrique simultanée de l'auto-inflammation. Dans le même temps, c'est pour cette raison que même de faibles écarts de température peuvent entraîner des changements significatifs dans les processus cinétiques.
En pratique, le facteur le plus important pour l'avenir de ce type de moteur est le type de carburant, et la solution de conception correcte ne peut être trouvée qu'avec une connaissance détaillée de son comportement dans la chambre de combustion. Par conséquent, de nombreuses entreprises automobiles travaillent actuellement avec des compagnies pétrolières (telles que Toyota et ExxonMobil), et la plupart des expériences à ce stade sont réalisées avec des carburants synthétiques spécialement conçus, dont la composition et le comportement sont calculés à l'avance. L'efficacité d'utilisation de l'essence et du carburant diesel dans HCCI est contraire à la logique des moteurs classiques. En raison de la température d'auto-inflammation élevée des essences, leur taux de compression peut varier de 12: 1 à 21: 1, et dans le carburant diesel, qui s'enflamme à des températures plus basses, il devrait être relativement faible - de l'ordre de seulement 8 :1.
Texte: Georgy Kolev
Photo: entreprise
