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MOTEURS A COMBUSTION INTERNE Partie 1: Principes de fonctionnement & Technologie

Pierre Duysinx

Université de Liège

Année académique 2015-2016

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Références bibliographiques

J.B. Heywood. “Internal Combustion Engine Fundamentals”, McGraw-Hill, 1988.

W. Pulkrabek. Engineering Fundamentals of the Internal Combustion Engine. 2nd Edition. Pearson New Int. Edition. 2014.

C. Ferguson & A. Kirkpatrick. Internal Combustion Engines. 3rd Ed. J. Wiley and Sons. 2016.

G.Ciccarelli. “Applied Combustion”. Notes de cours. Queens University.

M. Ehsani Y. Gao, S Gay & A. Emadi. « Modern Electric, Hybrid Electric, and Fuel Cell vehicles. Fundamentals, Theory and Design ». CRC press. 2005.

H. Mèmeteau. « Technologie fonctionnelle de l’automobile. Tome 1 Le moteur et ses auxiliaires ». 4ème édition. Dunod 2002.

R. Bosch. « Automotive Handbook ». 5th edition. 2002. Society of Automotive Engineers (SAE)

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Plan de l’exposé

Historique

Classification & Technologie Moteurs 4 temps Essence / Diesel

Moteurs 2 temps

Courbes de performance Couple, puissance

Consommation

Emissions

Développements Downsizing

Réduction de la consommation et des polluants

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Plan de l’exposé

Carburants alternatifs Bio carburants

Gaz naturel

Hydrogène

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Définition

Le moteur à combustion interne est une machine thermique qui convertit l’énergie chimique du combustible en énergie mécanique, généralement sous forme d’un mouvement rotatif d’un arbre en procédant par une combustion du combustible.

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Historique

1700: Moteurs à vapeur

1860: Moteur de Lenoir (rendement h~5%)

1862: Beau de Rochas définit le principe du cycle de fonctionnement des moteurs à combustion interne

1867: Moteur de Otto-Langen: h~11% et rotation<90 rpm

1876: Otto invente le moteur à 4 temps à allumage par bougie (h~14% et rotation< 160 rpm)

1880: Moteur deux temps par Dugan Clark

1892: R. Diesel invente le moteur quatre temps à allumage par compression

1957: Wankel invente le moteur à piston rotatif

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Historique

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Principe du moteur à piston

Un moteur est une boite étanche, creusée de plusieurs puits appelés cylindres dans lesquels montent de manière étanche des pistons métalliques.

Ce mouvement de va-et-vient entraîne une manivelle (le vilebrequin) qui communique ensuite son mouvement rotatif à un arbre de transmission qui, lui même va communiquer sa rotation aux roues motrices.

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Principe du moteur à piston

Système de bielle - manivelle

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Principe du moteur à piston

Système de bielle - manivelle

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Moteur à piston

vilebrequin

90o

180o

BC

TC

0o

270o

q

Bougies pour moteurs à allumage commandes

Injecteurs pour moteurs à compression

Point mort

haut (TC)

Point mort

bas (BC)

Soupapes

Volume

mort

Parois du

cylindre

Piston

Course

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Composants des moteurs

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Composants du moteur à piston

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Arbre à came

Soupape d’admission

Culbuteur

Piston

Bielle

Vilebrequin

Pompe à huile

Soupape d’échappement

Carburateur

Poulie de vilebrequin Oil pickup

Courroie de distribution

Poulie d’arbre à came

Filtre à air

Tendeur de chaîne de distribution

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Soupape

Arbre à came

Ressort

Collecteur d’air

Queue de soupape

Guide

Piston

Bougie d’allumage

Tête de soupape

Siège de soupape

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Nombre de cylindres

Mono cylindre: donne une poussée tous les deux tours ou tous les tours de vilebrequin. Les variations du couple sont grandes et produisent des vibrations. La régularité du couple devient problématique.

Multicylindres: on répartit la cylindrée au gré des cylindres qui sont autant de petits moteurs. On augmente la fréquence des poussées.

On peut réaliser l’équilibrage du moteur (équilibrage des différentes résultantes et moments des forces d’inertie jusqu’à un certain ordre) et augmenter les caractéristiques de régularité du couple.

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Nombre de cylindres

Configurations les plus habituelles

En ligne: 2, 3, 4, 6

À plat: 2, 4

En V

En W

En U

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Nombre de cylindres

(a) Single cylinder

(b) In-line or straight

(c ) V engines

(d) Opposed cylinder

(e ) W engine

(f ) Opposed piston

(g) Radial

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Moteurs essence vs Diesel

Les moteurs à allumage commandé (à essence): La combustion du mélange air / essence est amorcée par

l’étincelle d’une bougie d’allumage Le mélange air / essence peut s’effectuer par:

Carburateur Injection indirecte d’essence Injection directe d’essence

Les moteurs à combustion (Diesel) La combustion est déclenchée par l’injection du gazole sous

pression dans de l’air fortement comprimé et échauffé. Le mélange s’enflamme par auto inflammation, c’est-à-dire

spontanément

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Opérations fondamentales

Les quatre phases de fonctionnement du moteur ont été définies dès 1862 par Beau de Rochas:

Admission: aspiration d’air ou de mélange air / essence

Compression de l’air ou du mélange air essence

Inflammation rapide et détente du piston

Echappement des gaz brûlés

Compression

Stroke

Power

Stroke Exhaust

Stroke

A

I

R

Combustion

Products

Ignition

Intake

Stroke

FUEL

Fuel/Air

Mixture

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Moteurs à 4 temps et à 2 temps

Les moteurs à quatre temps réalise le cycle en quatre course de piston et deux tours de vilebrequin

Les moteurs à deux temps réalisent le cycle en deux courses de pistons et un tour de vilebrequin

Les moteurs rotatifs: le mouvement alternatif rectiligne est remplacé par la rotation d’un rotor qui réalise le cycle trois fois par tour

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Moteurs à 4 temps: essence

Temps 1: le mélange air/essence est introduit dans le cylindre par la soupape d’admission

Temps 2: le mélange est comprimé

Temps 3: La combustion du mélange (grosso modo à volume constant) survient et la détente des gaz de combustion produit un travail.

Temps 4: Les gaz sont expulsés du cylindre par la soupape d’échappement

Compression

Stroke

Power

Stroke Exhaust

Stroke

A

I

R

Combustion

Products

Ignition

Intake

Stroke

FUEL

Fuel/Air

Mixture

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Moteurs à 4 temps

1 atm

Spark

TC

Cylinder volume

BC

Pressure

Exhaust valve

opens

Intake valve

closes

Exhaust

valve

closes

Diagramme pression volume pour le moteur 4 temps essence

Une explosion tous les 2 tours de vilebrequin

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Moteurs à 4 temps

Exhaust gas

residual

IVO intake valve open IVC intake valve close EVO exhaust valve open EVC Exhaust valve close Xb burned gaz mole fraction

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Moteurs à 4 temps: Essence

Avantages:

Le moteur à allumage commandé (moteur à essence) repose sur un principe simple, mature et une conception bien connue

Il a un bon rapport poids / puissance

Il est capable de fonctionner en brûlant différents carburants: essence, méthanol, éthanol, gaz naturel, propane, hydrogène.

On a développé des systèmes de contrôle des émissions assez performants.

Désavantages:

Mauvais rendement et relativement mauvais contrôle des émissions de HC, CO et NOx à charge partielle

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Moteurs à 4 temps: Diesel

Temps 1: l’air (seul) est introduit dans le cylindre par la soupape d’admission

Temps 2: l’air est comprimé

Temps 3: le carburant est injecté et la combustion du mélange (grosso modo à pression constante) survient. La détente des gaz de combustion produit un travail.

Temps 4: Les gaz sont expulsés du cylindre par la soupape d’échappement

Compression

Stroke

Power

Stroke

Exhaust

Stroke

Combustion

Products

Intake

Stroke

Air

Fuel Injector

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Moteurs à 4 temps: Diesel

SOI – start of injection

EOI – end of injection

SOC – start of combustion

EOC – end of combustion Fuel mass

flow rate

Fuel mass

burn rate

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Moteurs à 4 temps : Diesel

Avantages:

Rendement supérieur au moteur à essence

Bien développés et disponibles

Possède des faibles émissions en CO et HC

Désavantages:

Haut taux d’émission de particules matérielles et de NOx

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Moteurs 2 temps

En vue de produire une puissance supérieure pour un même volume, une même masse et pour obtenir certaines simplification des soupapes, Dugald Clerk a inventé le moteur 2 temps en 1878.

Le cycle est applicable à la fois aux moteurs à allumage commandé et aux moteurs à allumage par compression, même s’il est souvent utilisé avec les moteurs à allumage commandé.

Le cycle du moteur 2 temps comprend deux opérations comme son nom l’indique et le cycle thermodynamique est réalisé sur un tour de vilebrequin.

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Moteurs à 2 temps: essence

Intake (“Scavenging”)

Compression Ignition

ExhaustExpansion

Fuel-air-oil

mixture

Fuel-air-oil

mixture

compressed

Crank

shaft

Check

valve

Exhaust

port

Temps 2 (piston montant): le mélange air / essence est introduit dans le cylindre et est comprimé. La combustion est initiée à la fin de course

Temps 1: (piston descendant) les gaz produits de la combustion se détendent et produisent un travail. Le piston démasque l’échappement et ensuite l’admission

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Moteurs à 2 temps: essence

Temps 1: (piston descendant) les gaz produit de la combustion se détendent et produisent un travail.

Temps 2 (piston montant): le mélange air / essence est introduit dans le cylindre et est comprimé. La combustion est initiée à la fin de course

Temps 1 Temps 2

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Moteurs à 2 temps: essence

Cross Loop Uniflow Cross Loop Uniflow

Scavenging

Moteurs à 2 temps: essence

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Moteurs à 2 temps: Diesel

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Moteurs à 2 temps: suralimentation

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EPO – exhaust port open

EPC – exhaust port closed

IPO – intake port open

IPC – intake port closed

Exhaust area

Intake area

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Moteurs 2 temps

Comparativement au moteur 4 temps, le moteur 2 temps possède un rapport poids puissance plus élevé (facteur 2)

Une conception plus simple

Un coût de fabrication moindre

Un poids inférieur

Par contre, il possède également plusieurs défauts: Taux d’émission de polluants plus élevé: émission de HC, PM, CO

assez mal contrôlé (moins marqué pour le moteur à allumage par compression)

Les systèmes de contrôle des émissions sont moins bien développés

Courant pour les petits engins à moteurs

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Avantages / inconvénients des moteurs 2 temps

Avantages Rapport puissance / poids plus grand puisqu’on a une

explosion tous les tours de vilebrequin

Conception de soupape assez simple

Souvent utilisé pour les petits moteurs pour les tondeuses à gazon, les bateaux hors-bord, les motocyclettes

Inconvénients Renouvellement de la charge incomplet ou bien

renouvellement trop important conduisant au by-pass

On brûle de l’huile mélangée au carburant

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Moteur Wankel ou moteur à pistons rotatifs

En 1954, Felix Wankel imagine le principe d’un moteur dont le fonctionnement est basé sur trois chambres de volume variable formées entre un logement fixe en forme d’épitrochoïde et un rotor en forme de triangle équilatéral.

Un épitronchoïde est une courbe semblable à une épicycloïde. L’épitronchoïde est générée par un point quelconque sur le rayon, alors que l’épicycloïde est générée par un point sur la circonférence d’un cercle roulant sur l’extérieur d’un autre cercle.

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Moteur Wankel

En combinaison avec un arrangement adéquat des entrée, sortie et du mécanisme d’ignition, la variation du volume dans les trois chambres permet de mener les 4 temps du cycle Otto à chaque tour de circonférence

Le nombre de dents entre la denture intérieure et l’excentrique donne un rapport de réduction de 1 à 3.

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Moteur Wankel

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Moteur Wankel

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Moteur rotatif ou Wankel

Avantages

Équilibrage parfait des masses, vitesses de rotation élevées

Courbe de couple favorable

Compacité et simplicité

Légèreté

Avenir possible avec le carburant H2

Désavantages

Rendement inférieur au moteur à piston

Degré de pollution plus élevé (HC, NOx, CO)

Chambre de combustion interdit le cycle Diesel

Coût de fabrication plus élevé

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Classification et Fonctionnement des moteurs

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Classification

Moteur essence

2 temps 4 temps

Carburateur Injection Carburateur Injection

Moteur Diesel

2 temps 4 temps

Injection indirecte

Injection directe

Injection Indirecte

Injection directe

Classification: Admission d’aier

Moteur atmosphérique:

Le mélange air/essence est injecté à la pression atmosphérique lors de la phase d’admission.

Le taux de remplissage du cylindre est toujours inférieur à 1.

La puissance est limitée par le taux de remplissage.

Moteur turbocompressé:

Le mélange air essence ou air est injecté avec une certaine surpression

La surpression est créée en faisant passer l’air d’admission dans un compresseur

Cela crée une suralimentation (taux de remplissage plus important)

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Moteur atmosphérique

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Suralimentation

La suralimentation est utilisée pour augmenter la puissance spécifique des moteurs en augmentant la pression d’alimentation et en autorisant de ce fait une plus grande quantité de carburant.

Les phénomènes de cognement et auto inflammation limitent le taux de pré compression

On distingue les turbo chargeurs et compresseurs

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Admission variable, Suralimentation et Turbocompresseurs

Les turbosoufflantes ou compresseurs sont des compresseurs qui sont mécaniquement entraînés par le vilebrequin du moteur et représentent donc une ponction de puissance

L’arbre du moteur entraîne un compresseur (types centrifuge, root ou à palette) qui augmente la pression de l’air d’admission même à bas régime

Désavantage: puissance soutirée à l’arbre du moteur réduit le rendement global du moteur, augmente la consommation, diminue la consommation.

Suralimentation et turbo chargeur

Les turbo chargeurs sont des compresseurs accouplés avec une petite turbine entraînée par les gaz d’échappement. La vitesse de la turbine est fonction de la vitesse de rotation du moteur

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Admission variable, Suralimentation et Turbocompresseurs

TurboCompresseur:

Turbine mue par les gaz d’échappement et placée sur le même arbre que le compresseur placé l’admission

Avantages:

Énergie du compresseur récupérée sur les gaz d’échappement donc amélioration du rendement

Peut augmenter fortement la puissance du moteur spécialement si on utilise un intercooler entre le compresseur et l’admission

Améliore le rendement à cause de la surpression à l’admission: travail positif d’admission

Désavantage:

Temps de réponse

Faible (voire aucune) amélioration à bas régime

Suralimentation et turbo chargeur

Le compresseur augmente malheureusement la température des gaz d’admission de sorte qu’ils sont généralement accouplé à un intercooler pour abaisser la température et augmenter la densité de l’air et donc le taux de remplissage.

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Admission variable, Suralimentation et Turbocompresseurs

Augmentation de la température des gaz d’admission

Augmente le risque de cognement (autoallumage)

Augmente la formation de NOx

Remède: introduction d’un intercooler et d’un échangeur de chaleur

Refroidissement augmente le remplissage

Compression des gaz d’admission diminue le rapport de compression et le rendement global par rapport au moteur atmosphérique

Suralimentation et turbo chargeur

Le pic de pression dans le système d’échappement est seulement faiblement supérieur à la pression atmosphérique de sorte qu’on n’a qu’un petit Dp à travers la turbine.

Pour produire la puissance nécessaire au compresseur, la vitesse de la turbine doit être très grande (100 à 200 000 tr/min).

En outre on est sujet au phénomène de retard du turbo (turbo lag) car il faut un certain temps à la turbine pour monter en régime après une ouverture soudaine de la manette des gaz.

Un vanne de « Waste gate » est utilisée pour contrôler le débit de gaz d’échappement qui traverse la turbine. Elle est asservie à la pression de la pipe des gaz d’admission.

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Suralimentation et downsizing

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Mélange air fuel

Pour les moteurs à allumage commandé, l’air et le fuel sont généralement mélangé avant d’entrer dans le cylindre

Le ratio entre l’air et le fuel doit être dans des proportions quasi stochéométrique (environ rapport 1:15) afin d’avoir une combustion convenable.

Initialement un dispositif purement mécanique, le carburateur était utilisé pour mélanger le carburant et l’air

Les moteurs modernes utilisent des injections de carburant électronique et une sonde lambda pour connaître l’excès d’air.

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Régulation de la puissance

Un moteur à piston est à la base un moteur à air. Plus on injecte de l’air, plus on peut brûler du carburant

La pression initiale dans le cylindre est égale à la pression atmosphérique

La pression dans le système d’admission est modifiée en ouvrant ou fermant la manette des gaz, une vanne papillon qui permet de changer la chute de pression

Un flux d’air maximum (et donc une puissance max) est obtenu en maintenant la manette des gaz grande ouverte et minimum au ralenti

PatmPint < Patm

Intake manifold

PatmPint < Patm

Intake manifold

Fuel

WOT

Idle

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Classification: Carburateur et injection

Carburateur Injection indirecte

Carburateur

Carburateur simple.

L’injection de carburant est réalisée par un venturi. La dépression engendrée par la mise en vitesse de l’air d’admission au sein d’un col.

Un pointeau règle le débit de carburant.

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Carburateur de base

Venturi

Throttle

Air Flow

Mixture to manifold

Fuel

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Injection multipoint

Injection de carburant multipoint

Un ou plusieurs injecteurs dans l’admission de chacun des cylindres

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Système d’injection moderne

Throttle

Fuel tank

Air intake

manifold

Au démarrage, les composants sont froids et l’évaporation du fuel est lente. On introduit donc un supplément de carburant via une seconde ligne d’injection

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Injection indirecte et directe

Injection directe Injection indirecte

Injection directe

Injection directe de carburant

Les injecteurs sont montés directement dans les chambres de combustion avec pour effet d’injecter directement le carburant dans les cylindres

D’abord utilisée avec les moteurs turbo Diesel, la technologie est aujourd’hui adaptée aux moteurs à essence

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Moteur à injection directe

Requiert une cupule dans le piston pour permettre un mélange air carburant ultra rapide

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Moteurs à injection directe et charge stratifiée

Créer un mélange air / carburant facilement inflammable autour de la bougie et un mélange pauvre (difficilement inflammable) dans le reste du cylindre

La combustion en mélange pauvre donne lieu à des émissions plus faibles

Exemple d’un moteur à torche ou allumage par jet

Injection directe et combustion en mélange pauvre

Injection directe de carburant et mélange pauvre

Afin de réaliser la combustion en quantité stœchiométrique, l’injection de carburant n’est pas réalisée de manière homogène.

Dans des conditions de charge partielle, l’injection de carburant est réalisée de manière telle que les conditions idéales sont réalisées localement autour de la bougie

Injection directe et combustion en mélange pauvre

Injection directe de carburant et mélange pauvre

En charge partielle, on commute en mode de combustion stratifiée.

Une fois revenu avec un taux de charge suffisamment élevé, on bascule dans un mode conventionnelle en charge homogène.

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Evolutions récentes: Moteur essence à injection directe

Les moteurs hybrides combinent les meilleures caractéristiques des moteurs à allumage commandé et à compression.

Opérer au taux de compression optimum (12 à 15) pour un rendement maximum en injectant du carburant directement dans le moteur durant la compression (pour éviter le cognement associé aux moteurs à allumage avec pré mélange de la charge)

Enflammer le carburant lorsqu’il se mélange (pour éviter les problèmes de qualité de carburant lié aux moteurs Diesel)

Contrôler la puissance du moteur en ajoutant du carburant (pour éviter le problème du papillon de la manette des gaz et diminuer les pertes par pompage)

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Système d’injection Diesel

Avec les moteurs Diesel, le fuel est vaporisé directement dans le cylindre.

On peut travailler avec un fort excès d’air, car l’inflammation du carburant est liée aux conditions de pression température.

La puissance est modulée en modifiant la quantité de carburant injectée (pas de papillon des gaz).

Le système d’injection opère à haute pression e.g. 100 Mpa car

La pression d’injection doit être plus grande que la pression de compression des gaz

On a besoin d’une grande vitesse de jet pour atomiser les gouttelettes de manière assez fine pour une évaporation rapide

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Système d’injection Diesel

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Système d’injection Diesel

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Système d’injection à rampe commune

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Système d’injection à rampe commune

Common rail (Toyota D4D)

Homogeneous Charge Combution Ignition HCCI

La combustion homogène HCCI (Homogeneous Charge Compression Ignition) consiste à la fois à réduire la consommation et à réduire les polluants, notamment les NOx (réduction de 100 à 1!).

Le défi consiste à contrôler le temps d'auto-allumage, la vitesse et la température pour optimiser le mélange et la combustion. Elle conduira à une évolution de la formulation des gazoles.

Cette technologie est toujours en développement.

Moteur CAI utilisant la combustion HCCI

Les moteurs utilisant la combustion de type HCCI sont souvent appelés moteur CAI (Controlled Auto Ignition).

L’objectif est d'allumer le mélange par auto inflammation et non plus grâce à une bougie.

Elle est provoquée par la rétention dans le cylindre de gaz chauds issus de la combustion lors du cycle précédent. Il permet de mieux maîtriser la combustion et de la rendre plus homogène

Ce mode de combustion pourrait être combiné selon les phases du moteur avec des combustions classiques.