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Les techniques moteurs CAI et HCCI



par Jean-Claude Therace

Cela fait maintenant près de 25 ans qu'un débat essence/diesel anime les constructeurs et les automobilistes, voici enfin une solution : un moteur qui n'est ni l'un ni l'autre, puisqu'il est les deux à la fois. Tous les constructeurs travaillent là-dessus. Volkswagen, Renault, Honda, mais c'est Mercedes qui présente son projet le premier, il l'a nommé DiesOtto. Ce qui tient pour la réunion des noms de Rudolf Diesel (1858 1913), l'inventeur du moteur qui porte son nom, et de Nikolaus Otto (1832 1891), l'inventeur constructeur du premier moteur à 4 temps à allumage commandé selon le diagramme du cycle théorique du français Beau de Rochas (1815 1893).


Fonctionnement du moteur.

Il allie les avantages du moteur diesel avec ceux du moteur à essence d'où son nom DiesOtto.

A bas régimes, en dessous de 4000 1/min l'allumage s'effectue par la compression du mélange air carburant. Si plus de puissance est demandée ("pied plancher" par exemple) les bougies d'allumage rentrent en action.

Ce moteur fonctionne comme un diesel. L'allumage commandé ne sert que pour les démarrages à froid, et pour les régimes élevés, tels qu’au-delà de 3500/4000 1/min.

Il conjuguera les avantages d’un moteur à essence à faibles émissions et l’économie de carburant d’un moteur diesel.

Le phénomène d’auto inflammation**, tant redouté dans les anciens moteurs à essence, est ici mis à contribution pour provoquer l’inflammation instantanée de l’ensemble du volume de mélange air carburant dans les chambres de combustion.

L’auto inflammation du mélange est obtenue soit par la pression et par la température du mélange Diesel préétabli (HCCI)*, soit par réinjection des gaz brûlés résiduels (CAI)*.

Pour être précis cependant, ce moteur DiesOtto ne fonctionne pas exactement comme un diesel, où l'allumage s'effectue par la compression du mélange air carburant. Il s'agit ici d'auto-allumage contrôlé (CAI en anglais).

La technologie innovante de ce moteur est le 'Controled Auto Ignition' qu'on traduit en français par: Combustion par Auto Inflammation ou CAI*. Mais d'autres ont été utilisées comme la taux variable de compression et gestion variable de l'admission.


* CAI et HCCI

La technologie CAI, comme le diesel n'a plus besoin de bougies pour produire l'explosion, la pression produit un tel échauffement des gaz que le mélange air/carburant s'enflamme spontanément. Mais la comparaison avec le moteur diesel s'arrête là. Effectivement la technologie CAI produit peu ou pas de NOX et de particules. Cela est obtenu en réinjectant une partie des gaz brûlés. Il existe une technologie équivalente pour le moteur diesel nommée HCCI ((Homogeneous Charge Compression Ignition). L'inconvénient de la CAI est que sa plage d'utilisation est restreinte. Le HCCI dispose d'une plage d'utilisation supérieure mais encore rien de comparable à ce qu'offrent les moteurs existants.


En résumé

Les moteurs HCCI et CAI fonctionnent avec un taux de compression qui conduit à l’allumage spontané de l’ensemble du mélange. Il en résulte une combustion globale homogène plus «froide» dans la chambre (la température reste inférieure à 1 300 °C), qui ne produit que peu de NOx, très peu d'hydrocarbures imbrûlés et très peu de particules,

Le DiesOtto a besoin d'une gestion électronique très sophistiquée. Une distribution intégralement variable est aussi nécessaire. Pour obtenir le meilleur rendement, une injection directe comme mesure supplémentaire pour l’économie de carburant ainsi qu’une suralimentation par turbocompresseur pour une performance optimale seront, aussi, l'équipement idéal.

L’application de l'auto-allumage contrôlé, un processus de combustion similaire à celui du diesel.

Une commande de levée variable des soupapes et un taux de compression variable menant à une meilleure économie de carburant seront aussi deux applications à optimiser sur ces moteurs.

L'adjonction d'un module hybride avec un démarreur/générateur intégré serait encore plus économique.

Un nombre inférieur de cylindres et une cylindrée plus petite à celles que nous connaissons actuellement seront, alors, pratiquement utilisables.

Le premier prototype concret est présenté par Mercedes-Benz avec la F700 présentée entre autre au Salon de Frankfurt 2007 et de l'Auto 2008 à Bruxelles.

Le moteur est un 4 cylindres, essence de 1800 CC développé dans les ateliers laboratoires de Daimler mais au salon il s'agissait d'un moteur hybride; le moteur DiesOtto de 238 CV est accouplé à moteur électrique de 20 CV. Cette puissance supplémentaire vient s'ajouter à celle du moteur thermique ce qui donne au total 258 CV avec un couple de 400 Nm.

Le régime de tels moteurs peut atteindre les 6000 1/min !

Les 100 Km/h sont atteints en 7,5 sec et la vitesse de pointe est électroniquement bridée à 200 Km/h pour une consommation de 5,3l aux 100 Km et des émissions de CO2 ne dépassant pas les 127 g/Km ce qui correspond déjà aux futures normes EURO VI.

C'est grâce à l’adjonction d’un turbo à double étage et d’un petit moteur électrique de 20 CV que ce moteur arrive à développer les 258 CV annoncés.

Mercedes utilise également cette technologie hybride pour faire baisser de manière sensible les valeurs de consommation. On y verra joindre aussi la technique Stop-Start.

C'est un assez gros moteur. De petite cylindrée, mais volumineux pour sa cylindrée.

Ce DiesOtto a été préparé pour fonctionner avec de l'essence, il y a des gestions moteur informatiques qui permettent à un moteur similaire de fonctionner au gazole.

Mercedes prévoit déjà de tels moteurs, à l'avenir, sur toute sa gamme.

Jusqu’à présent les autres motoristes, dont VW, qui ont réalisés en laboratoire ces techniques, ont besoins, pour l’instant, d’un carburant spécial.

** pour rappel : 1952 « L’auto-allumage est une combustion de la charge gazeuse spontanée due à une compression excessive suite à un taux de compression trop élevée pour un taux de remplissage maximum, la pression de fin de compression prend une valeur très grande avec dégagement de chaleur tel que la température d’inflammation se trouve atteinte, la masse gazeuse brûle spontanément sans le recours de l’appareil d’allumage (commandé). Ce phénomène se manifeste lors de la phase d’arrêt d’un moteur chaud dont le mélange de ralenti est trop riche et/ou trop élevé en régime. »

(N.D.R. on équipa, à l’époque, les carburateurs, de gicleurs de ralenti munis d’un pointeau électromagnétiques ou d’étouffoirs de ralenti dont le courant de maintient était coupé simultanément avec le contact d’allumage. (1962)) L’auto-allumage était considéré comme un défaut néfaste pour le moteur.

L’auto-allumage est utilisé sur les micromoteurs de modélisme ou on peut faire varier le volume de la chambre d’explosion par modification de la distance du fond de la culasse par rapport au piston et son point mort haut (PMH).

(© Jean-Claude Therace)
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Idée & conception © 1999-2011 van Damme Stéphane.


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