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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.