Et ne vous précipitez pas pour enterrer le moteur à combustion interne: le présent et l'avenir du moteur à combustion interne

Une prise électrique est devenue un symbole de progrès. Les stands de la plupart des constructeurs automobiles présents au salon automobile de Detroit en janvier étaient littéralement choquants et toute mention du bon vieil ICE avait une mauvaise image. Alors quoi - le moteur à combustion interne avec une détonation recouvrait le capot? Ne vous précipitez pas vers les condoléances. Au moins au même endroit à Detroit, le porte-parole de Toyota, Koei Saga, a demandé aux journalistes quand le jeu ICE serait enfin hors du jeu et a répondu innocemment: «Jamais! Quand le pétrole sera épuisé, l’humanité le ravitaillera en hydrogène. "

Les analystes du Département de l'énergie des États-Unis (DOE) estiment que ICE pourrait bouffer pendant encore plusieurs décennies. En outre, l'augmentation de l'efficacité des moteurs à essence et diesel d'ici 2020 pourrait atteindre 30% et, d'ici 2030, 50%. Les technologies qui aideront à atteindre ces résultats sont actuellement testées.

Flamme omniprésente

En 1978, un groupe de scientifiques de l’Institut japonais de recherche sur les moteurs propres, qui tentait d’optimiser le processus de combustion de carburant dans les moteurs de motocyclettes à deux temps, avait accidentellement enregistré un phénomène inhabituel appelé allumage par compression à charge homogène. Lorsqu'une certaine pression a été atteinte dans la chambre d'un moteur à essence à deux temps, une charge air-carburant s'est enflammée sans bougie. Mais le plus intéressant - au lieu de l’allumage habituel du mélange près de la bougie et de la propagation ultérieure de la flamme à la périphérie de la chambre, un nombre considérable de microcentres d’allumage est apparu simultanément. En conséquence, le mélange a brûlé à une température inférieure à la température habituelle, très rapidement et presque complètement. L'appareil mathématique de l'époque et le niveau de développement de la thermodynamique ne nous ont pas permis de comprendre les causes du phénomène HCCI, et cela a été considéré comme une curiosité. Après 20 ans, de puissants outils de modélisation informatique sont apparus dans l'arsenal d'ingénieurs, ce qui a permis d'ouvrir le voile du secret sur HCCI. Les travaux dans ce domaine à la fin des années 90 ont commencé en Allemagne (Mercedes-Benz, Volkswagen), au Japon (Nissan) et en Amérique (General Motors).

L'ingénieur américain John Zayats a proposé son propre concept de moteur à combustion interne, proche du moteur Scuderi à cycle divisé. L’inventeur affirme que son moteur est 15% plus économique que le diesel et 30% plus puissant que son équivalent essence. Dans le moteur du lièvre, l'air du cylindre de compression pénètre dans la chambre dans laquelle la pression accrue du mélange de carburant est créée, soit 40% de plus que le niveau habituel pour les moteurs à essence. La caméra, sa forme, son principe de fonctionnement, son design et les matériaux de fabrication sont protégés par 19 brevets. L'air qu'il contient se mélange au carburant et s'enflamme. Le processus de combustion du mélange dans le temps est beaucoup plus long que dans une ICE conventionnelle. Un environnement spécial est créé à l'intérieur de la chambre - un «mur chaud», qui est en réalité un accumulateur d'énergie. La température et la pression constantes qu'il contient sont stockées 10 à 100 fois plus longtemps que dans une chambre de combustion d'un moteur conventionnel. Ensuite, les gaz chauds à travers une vanne spéciale tombent dans le cylindre de travail. La simplicité, le nombre minimal de pièces et l'efficacité du développement de Zajac Motors ont attiré l'attention des géants de l'automobile. En 2009, Hare a commencé à avoir des partenaires sérieux - General Motors et Canadian Magna.

Pour former un nuage air-carburant homogène de densité extrêmement basse, des gaz d'échappement chauds sont introduits dans le mélange. Ils réchauffent rapidement ce cocktail, le rendant plus facile à mélanger à l'intérieur de la chambre. Si, dans les conditions classiques d'injection directe, le carburant est pulvérisé sous la forme d'un aérosol, le mélange HCCI est le plus petit brouillard. Lorsque le piston comprime le mélange jusqu'à un certain volume, la température atteint le point d'auto-inflammation. La combustion HCCI se caractérise par l'absence de flamme nue et une température plus basse que celle des moteurs diesel. En conséquence, la part des combustibles brûlés atteint 95–97%, contre 75% dans les cycles Otto et Diesel. De plus, HCCI ne fonctionne pas sur les mélanges riches - il a besoin de fractions de carburant presque homéopathiques, 30% ou plus plus pauvres que les meilleures ICE modernes.

Néanmoins, la technologie éprouvée HCCI est toujours une question d’avenir. La thermodynamique du processus est extrêmement complexe et nécessite des scientifiques pour résoudre de nombreux problèmes. Les principales sont le fonctionnement instable au ralenti et à la vitesse maximale, la détonation non contrôlée des résidus de mélange et la répartition inégale du nuage air-carburant dans la chambre. Certes, ces dernières mois, de bonnes nouvelles sont apparues régulièrement de manière encourageante. Les spécialistes de General Motors indiquent qu'ils ont été en mesure de contrôler les éléments à basse vitesse et que les ingénieurs britanniques de Lotus déclarent avoir construit un prototype fonctionnel du super-moteur Omnivore, qui prend en charge le processus HCCI de fond en comble. Selon le vice-président de Bosch Henning Schneider, les voitures dont la consommation de carburant est inférieure à 3 litres aux 100 km, équipées de la technologie ICE avec technologie HCCI, deviendront des véhicules de série en 2015. Volkswagen adopte une approche plus prudente - la société développe un nouveau moteur utilisant des bougies d'allumage à pleine charge, au ralenti et à vitesse moyenne - en mode HCCI. Les ingénieurs de Nissan ne sont pas en reste: ils ont récemment annoncé la création d'un logiciel puissant vous permettant de créer un modèle informatique du phénomène HCCI. Ils ont déjà commencé à travailler sur leur propre super-moteur.

Division du travail

Le matin de Pâques 2001, l’ingénieur Carmelo Scuderi a réuni toute la famille dans sa maison et a annoncé solennellement qu’il avait mis au point un nouveau type de GLACE qui bouleverserait le monde. Une description détaillée de la technologie entre dans plusieurs cahiers manuscrits - le vieil homme ne favorise pas l'ordinateur et fait tous ses calculs sur une règle à calcul. En 2002, Carmelo, qui venait tout juste de commencer des consultations avec des scientifiques de l'Université du Sud-Ouest, est décédée des suites d'une crise cardiaque. L’entreprise paternelle a été reprise par les enfants Scuderi et, après seulement huit ans, le prototype actuel de moteur à cycle divisé (Split Cycle Combustion SCC) a été présenté au Congrès mondial des ingénieurs de l’industrie automobile de la SAE à Détroit. Je dois dire que le concept de cycle divisé n'est pas nouveau. En 1891, la société américaine Backus Water Motor Company produisait de telles séries en petites séries, mais elles n’étaient pas utilisées à grande échelle et l’idée était restée lettre morte pendant cent ans.

Dans le moteur Otto, chaque piston effectue successivement des courses d'aspiration, de compression, de course et d'échappement. Dans le développement de Scuderi, les responsabilités sont divisées fraternellement entre deux cylindres: l’un pour l’admission et la compression, l’autre pour le cycle de travail et les gaz d’échappement. Les cylindres sont reliés entre eux par des canaux avec un mécanisme de soupape, à travers lequel le mélange air comprimé-carburant pénètre dans le cylindre en fonctionnement. Le moteur Scuderi est constitué de deux paires de ce type.

Dans le cycle Otto, la course se produit à chaque tour de vilebrequin sur deux, dans le moteur Scuderi - à chaque cycle. La séparation des fonctions des cylindres permet de les utiliser plus efficacement, par exemple pour augmenter la course du piston de travail et la durée de combustion du carburant, sans dépasser le degré de compression du carburant autorisé. L'inflammation du mélange se produit après que le piston de travail commence à descendre, contrairement à un moteur conventionnel en avance. Les calculs montrent que la séparation du cycle donne un degré de compression du mélange beaucoup plus élevé et une combustion rapide et complète.

Dans la chambre de combustion d'un moteur équipé d'un système HCCI (allumage par compression à charge homogène), un grand nombre de microcentres d'allumage se produisent simultanément. La performance environnementale de HCCI est impressionnante. Si le processus de combustion de carburant diesel dans les moteurs diesel entraîne une formation accrue de suie et d'oxydes d'azote, ces plaies ne sont pas connues des HCCI plus «froids». Selon Hermann Middendorff, responsable de projet pour le développement des moteurs à essence super compacts de Volkswagen EA111, les unités HCCI peuvent se passer d’un catalyseur onéreux.

Les fils de Carmelo ont amélioré la conception du moteur en y ajoutant un bidon d'air comprimé. L'air entre dans le cylindre de travail, améliorant le processus de combustion du mélange. Dans le même temps, les gaz d'échappement du moteur Scuderi contiennent 80% moins de dioxyde de carbone et d'oxydes d'azote que les moteurs à quatre temps traditionnels. Le rendement du moteur Scuderi est de 5 à 10% supérieur à celui des turbines diesel modernes les plus avancées. L'ajout de boost augmente l'écart d'efficacité de 25 à 50%.

En 2008, le moteur SCC a attiré l'attention de plusieurs grands constructeurs automobiles, notamment PSA Peugeot Citroën et Honda, qui ont signé des accords d'accès avec le groupe Scuderi afin d'étudier une technologie brevetée. L'Allemand Daimler et la Fiat italienne ont également confirmé publiquement leur grand intérêt pour le moteur Scuderi. Robert Bosch a signé un contrat avec le groupe Scuderi pour le développement de composants pour SCC dans l’espoir que cette technologie deviendra un jour en série. Le professeur John Heywood, spécialiste de la thermodynamique au Massachusetts Institute of Technology, a qualifié le cycle de combustion divisée de véritable alternative au HCCI. Il n’est pas difficile d’organiser l’assemblage de telles ICE à l’échelle industrielle dans des installations existantes - aucun matériau exotique et aucune opération technologique non standard n’est requis.

Omnivore à deux temps

De nombreux experts ICE utilisent aujourd'hui le mécanisme de taux de compression variable (VCR). En mars 2000, les ingénieurs Saab avaient présenté un prototype de voiture dotée d'un moteur à essence expérimental de 1, 6 litre doté de la technologie SVC (Saab Variable Compression). Ce moteur produisait 228 ch. et 305 N • m de couple, tout en consommant 30% de carburant en moins que les analogues classiques.

Au cours des dix dernières années, la technologie du magnétoscope a fait un énorme pas en avant. La société française MCE a récemment annoncé la création du moteur MCE-5VCR. Le taux de compression varie de 7: 1 à 20: 1 et la consommation de carburant d’un moteur de 1, 5 litre est inférieure de 30% à celle des moteurs analogues. L'Américain Envera développe un magnétoscope à essence à quatre cylindres de 1, 85 litre avec un taux de compression de 8, 5: 1 à 18: 1. Ce travail est financé par le US Department of Energy. La puissance du moteur cible est de 300 ch - presque 162 ch pour 1 litre de volume. Le couple maximal estimé dépasse 400 N • m à 4000 tours d'arbre. Un élément clé de la conception est un actionneur hydraulique qui fait tourner la came reliée au vilebrequin du moteur. Le balancement de l'excentrique soulève et abaisse l'arbre par rapport à la culasse, ce qui fait passer le taux de compression de 8, 5 à 18: 1.

La célèbre Lotus Engineering a avancé le développement le plus avancé de la technologie VCR. Au salon de l'automobile de Genève en mars 2009, les Britanniques ont présenté leur conceptuel ICE Omnivore («Omnivore»). Selon les ingénieurs de Lotus, un moteur à essence à deux temps à injection directe et à taux de compression variable de 10: 1 à 40: 1 est capable de digérer tous les carburants liquides, tout en étant économique et écologique.


Cinq mesures, trois cylindres

Lors de la Engine EXPO 2009, la société britannique Ilmor Engineering a présenté une ICE conceptuelle à cinq temps. L’idée de l’auteur du concept, Gerhard Schmitz, est d’utiliser un circuit à quatre et deux temps dans une unité. Trois cylindres ICE à cinq temps ont des diamètres internes différents. Les petites première et troisième fonctionnent dans le cycle habituel de quatre cycles. Moyenne pression basse sur la dilatation des gaz d'échappement résiduels en mode push-pull. Au cours des trois premiers coups, le mélange, comme d’habitude, est absorbé, comprimé et effectue une course de travail dans de petits cylindres. Au cours du quatrième cycle, les gaz d'échappement passent des petits cylindres aux plus gros et sont comprimés. La dilatation des gaz d'échappement résiduels dans le grand cylindre détermine le cinquième cycle de travail.

Omnivore est un monobloc avec un bloc solide et une tête. Cylindrée - seulement 0, 5 litre. L'un des principaux avantages du monobloc est l'absence d'alésage du cylindre. Dans les moteurs à combustion interne conventionnels, l'usure est due aux mouvements des boulons au micron aux points de fixation de la tête au bloc. La soupape de retenue innovante CTV (Charge de piégeage) dans la voie d'échappement vous permet de faire varier le temps d'ouverture de la soupape d'échappement sur une large plage. Système d’injection FlexDI avec une pression de 6, 5 atm pour Omnivore créé par la société australienne Orbital. Il vous permet de préparer un mélange équilibré à l'intérieur du cylindre, quel que soit le type de carburant. Ce mélange constitue la base du mode HCCI, et le système de contrôle de l'injection sert de base pour contrôler les paramètres HCCI.

Le mécanisme de taux de compression Omnivore est une rondelle mobile située dans la partie supérieure du cylindre, qui se déplace en raison de la rotation d’une paire d’excentriques. En position basse du palet, le taux de compression atteint 40: 1. L'un des injecteurs FlexDI est intégré à la rondelle et le second, fixe, est intégré au corps du cylindre. Des tests ont démontré le fonctionnement fiable de l’Omnivore en mode HCCI sur toute la plage de régimes, alors qu’avec un écart important, il se situe dans le cadre des normes Euro 6.

Pourquoi les Britanniques ont-ils adopté la configuration push-pull? «Lotus Engineering, à l'instar de nombreux autres constructeurs automobiles, adhère depuis longtemps aux concepts de quatre temps. Ceci est une conséquence de la domination historique de tels agrégats. Le problème de ces moteurs à combustion interne est la combustion inefficace de carburant à des charges partielles et extrêmes. Les machines à deux temps ne souffrent pas de cette maladie et sont donc extrêmement intéressantes pour l'industrie automobile. En outre, ils ne nécessitent pas de compactage », explique Jamie Turner, ingénieur en chef chez Lotus Engineering. Selon Lotus, la commercialisation d'Omnivore prendra encore un an et demi à deux ans.

L'article a été publié dans la revue Popular Mechanics (n ° 3, mars 2010).

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