La combustion homogène diesel HCCI

---

Description détaillée

La combustion diesel hommogène HCCI.
Le principe consiste à admettre un mélange homogène d'air et de gazole dans le moteur, pour obtenir par auto-allumage une combustion instantané de ce mélange.
De ce fait, la fabrication des particules et des Oxydes d'azotes sont quasi inexistantes.

Pour obtenir une combustion dans un moteur diesel il faut 3 paramètres indispensables: du carburant, du comburant (l'oxygène de l'air) et de la chaleur.

Dans le cas de la combustion classique, le moteur diesel n'aspire que de l'air (phase admission), puis comprime cet air qui va monter en température (phase compression) et lorsque la température est maximum (environ 600°C) on injecte sous haute pression du carburant dans cet air chaud. Le carburant et le comburant s'auto enflamme, et la combustion se déroule dans le moteur (phase combustion/détente) dégageant une forte température et une forte pression qui va pousser le piston pour fournir le travail. Une fois le travail effectué, les gaz brûlés sont éjectés dans la ligne d'échappement.
Le principale inconvénient de cette combustion est qu'elle est hétérogène. C'est à dire que pendant le déroulement de la combustion, il y a des zones riches (excès de carburant provoquant la fabrication des particules) et des zones pauvres (excès d'air provoquant la fabrication des Oxydes d'ozotes NOx).

Principe de fonctionnent de la combustion homogène :
La particularité de la combustion homogène réside dans le fait que l'on prépare au préalable un mélange air/carburant soit par injection indirecte, soit par injection directe. Dans le cas de notre moteur diesel, ce sera vraissemblablement avec  des injections directes que le carburant sera adjoint à l'air, car pour le moment, lors des demandes de fortes charges, les moteur HCCI rebasculent en combustion classique.

Pour les fonctionnements en faible charge et en charge partielles, toutes les parties du mélange sont simultanément brûlées. La combustion est alors radicalement différente d'une flamme de prémélange, car il n'y a pas de front de flamme. Chaque molécule de carburant est oxydée localement puisque l'O2 et le gazole sont disponibles en tout point de la chambre.
Les températures maximales atteintes  resteront beaucoup plus basses que les températures de front de flamme, et la réaction exothermique se fera en masse de l'état initial jusqu'à l'état final de combustion sans pic de température. Les températures resteront en tout point inférieures à 1300°C contre 2500°C pour une combustion classique, ce qui reduit considérablement la formation des Oxydes d'azote (NOx).
Le phénomème de flamme de diffusion est également supprimé ce qui fait disparaître la formation des suies et les émissions de particules qui en résultent, à condition que le mélange n'atteigne pas des richesses excessives.

Comparaison des 2 modes d'injection diesel (conventionnel et HCCI)

Les problèmes techniques à résoudre :
Si la combustion se déroulait comme décrit précédement, le résultat serait inacceptable à cause du dégagement d'énergie beaucoup trop brutal, et à cause d'un manque de moyens pour contrôler les débuts de combustion (lois d'avances).
Pour devenir applicable ce concept doit être adapté, et il faut ralentir nettement les vitesses de réaction, ce qui se réalise par un excès d'air et/ou une très forte dilution par les gaz d'échappement (jusqu'à 70% de taux d'EGR).

L'idéal serait exactement :

• Très grande homogénéité au niveau global, c'est-à-dire que le carburant et l'oxygène sont présents dans tout le volume de la chambre de combustion.
• Mais hétérogénéité à petite échelle, c'est-à-dire que des noyaux actifs (Carburant-Comburant) sont dissiminés au milieu des gaz d'échappement inertes.
  Le résultat est une multitude de points d'inflammation quasi simultanés qui vont se rejoindre et réaliser une combustion rapide mais controlée.

Un exemple de ce genre de situation vous est fourni (à partir d'un document issu de l'IFP) ; nous pouvons constater que la zone d'inflammation s'étend quasiment à toute la chambre de combustion, ce qui indique la grande rapidité du phénomène, et que plusieurs zones de réaction ont initié cette combustion.

Conclusion : Les 2 difficultés majeures pour maîtriser ce mode de combustion sont :
La technique de préparation du mélange devant assurer le dosage de l'air frais, du carburant et des gaz d'échappement ainsi que leur répartition spatiale. Il est évident que l'aérodynamique interne de la chambre de combustion et la gestion de l'injection seront les facteurs prépondérants.

Le réglage du point d'auto inflammation et la stabilisation de celui-ci pour que le rendement soit optimum. Les conditions de température et de pression au voisinage du PMH seront prépondérantes mais il ne faut pas oublier le carburant qui intervient au premier ordre par ses caractéristiques physico-chimiques. Le mode de réglage choisi doit permettre une action « cycle à cycle » sur l'avance pour être satisfaisant.
Précisions sur le déroulement d'une combustion de type HCCI
Voici quelques informations sur le processus d'auto inflammation.

Les flammes froides
Ce terme, pour le moins paradoxal, décrit un phénomène qui se déroule à des faibles températures (<400°C) et donc nettement avant la fin compression. Il est sensible sur la courbe d'analyse de la combustion ci-dessus.

Rappel : la loi de dégagement d'énergie est déduite de l'enregistrement de la pression dans la chambre de combustion et son unité (/°) exprime la vitesse de combustion de la charge. Par exemple sur le graphique ci-dessus la valeur maxi atteinte frôle 0,095 ce qui veut dire qu'à cette position de vilebrequin il est brûlé 9,5% de la charge par degré de rotation (c'est une valeur élevée).
Nous constatons que l'énergie mise en jeu par la flamme froide est une toute petite partie de la chaleur totale. Ce régime de réaction « s'éteint » de lui-même car il se trouve que la vitesse de réaction présente un coefficient de température négatif entre 400 et 500 °C ; c'est-à-dire que la réaction ralentit lorsque la température augmente.
L'énergie dégagée dans cette phase est faible mais ce régime est le précurseur du dégagement majeur qui va suivre (flamme chaude).

Les flammes chaudes
La flamme chaude apparaît au dessus de 500 °C, elle est beaucoup plus intense et son coefficient de température est positif : le dégagement de chaleur accélère la réaction. Cette auto accélération de la flamme normale peut arriver à générer une onde de choc qui fait passer la combustion en régime détonant (source d'incidents) mais toute auto-inflammation ne produit pas forcément une détonation : c'est le cas des combustions HCCI pour lesquelles les fortes dilutions modèrent les vitesses de réaction.

Conséquences : 
La combustion HCCI malgré sa rapidité n'a pas à être assimilée aux phénomènes de cliquetis qui se produisent dans un moteur bien qu'ils apparaissent également par un processus d'auto-inflammation.
Le délai d'apparition de la flamme froide est important en HCCI car elle est le déclencheur de la flamme chaude. Des essais ont montré la sensibilité de ce délai à la température de l'air admis, au taux d'EGR, et aux réactifs tels que CO, NO des combustions précédentes. Le facteur déterminant reste la composition du carburant et il est évident que celui-ci sera un composant majeur pour le développement du HCCI. Dans certains cas le délai entre l'apparition des flammes froides et celui des flammes chaudes peut aussi être influencé par les paramètres de fonctionnement ce qui complique la maîtrise du début d'inflammation.

Les différentes solutions pour la préparation du mélange:

Un injecteur supplémentaire dans la tubulure
C'est la stratégie correspondant au système HCDC. L'admission se fait avec un mélange homogène et pauvre, en fin de compression l'injecteur central permet d'atteindre ses conditions de combustion correctes. En mode combustion classique l'injecteur central assure seul le fonctionnement. 
Un des intérêts de ce choix est la possibilité d'utiliser 2 carburants de réactivités différentes (cf. chapitre suivant)

Un injecteur supplémentaire (ou 2) dans la chambre de combustion
C'est la stratégie PREDIC/MULDIC qui utilise 3 injecteurs dans le cylindre. La disposition judicieuse des jets respectifs permet d'atteindre tout le volume de chambre quelle que soit la position piston. Les impacts des jets sur les parois seront réduits grâce à un phasage particulier : l'injection sur les côtés est très précoce (100 à 200° avant PMH) puis l'injection centrale débute environ à 40° avant PMH pour le PREDIC ou passe en injection tardive (2° et 30° après PMH) pour le MULDIC. Les injecteurs latéraux utilisent une pression d'injection de 1500b (2000b au centre), si besoin leur débit peut être fractionné.

Un injecteur à jet adapté
C'est le choix fait par l'IFP pour son système NADI. Des organisations similaires se retrouvent sur les technologies UNIBUS et PCI avec également des injections très avancées vers 120° avant PMH. 
Certaines réalisations atteignent des sophistications extrêmes qui les éloignent probablement de toute application commerciale : par exemple le système HiMiCS qui utilise un injecteur à 30 trous (!) réalisant 3 angles de jets différents (12 trous sur un cône à 155°, 12 sur un cône à 105° et 6 sur un cône à 55°). De plus la quantité injectée est fractionnée sur 4 injections.

Toutes les solutions de ce type perdent la possibilité d'utiliser conjointement 2 carburants différents.

Les différentes solutions pour agir sur le début de combustion et
sur son déroulement:
Par action sur la réactivité du mélange.
Différentes solutions concernant le carburant sont actuellement étudiées. Parmi ces solutions on trouve:

L'adjonction d'un additif dans le carburant actuellement utilisé, pour palier à l'absence provisoir d'un carburant aux spécificites HCCI.

L'utilisation dans le moteur de 2 carburants différents (l'un classique, l'autre spécifique HCCI) mais cela impose le montage de 2 circuits d'alimentation en carburant distinct sur le moteur.

L'introduction de produits intermédiaires de combustions (Radicaux libres, NO, CO) dans la charge agit sur le délai d'inflammation et la vitesse de combustion, l'apport de ces types de réactifs se fait naturellement par les forts taux d'EGR réalisés pour le HCCI.
Par action sur la température de l'air admis.
Pour la combustion homogène, la température de l'air d'admission a une incidence certaine sur le début de la combustion. Cependant, la variation de cette température ne peut pas être une grandeur de réglage à elle seule! La température influencent de manière minimal les débuts de combustion. La température devra être stabilisée et optimisée pour permettre un bon déroulement de la combustion. L'utlisation de refroidisseur d'air de suralimentation, ou de réchauffeur d'air d'admission sera incontournable.

Par action sur la température du mélange en fin compression

Variation de rapport volumétrique
Le rapport volumétrique est un paramètre déterminant car c'est de lui dont dépend l'élévation de température de la charge durant la compression. Son réglage en dynamique reste très difficile à résoudre, une réalisation aboutie est présentée (moteur MCE-5).Beaucoup d'autres système ont été imaginé (et même réalisés pour certains) mais celui-ci présente une qualité majeure pour la combustion HCCI c'est son faible temps de réaction, pour modifier son rapport volumétrique : le concepteur annonce 0,1 s pour diminuer le rapport volumétrique de 20 à 7. Il est alors tout a fait envisageable de réguler la combustion avec ce seul paramètre car la modification se fait en quelques cycles moteur. C'est également le seul à proposer un réglage indépendant pour chaque cylindre ce qui est indispensable pour éviter les dispersions en HCCI.

Variation du Retard Fermeture Admission
Une solution plus simple pour modifier la compression de la charge est d'agir sur le retard fermeture admission (RFA). Ce moyen d'action parait intéressant malgré sa faible autorité sur le calage de combustion (si RFA passe de 0à 120° la combustion est décalée de 3°). Autre avantage, les technologies de calage variable de la distribution sont maintenant maîtrisées et permettent des temps de réaction assez courts. L'action du RFA est prépondérante aux faibles régimes, pour les vitesses de rotation élevées les effets d'inertie et d'acoustiques dans l'air d'admission réduisent son impact.

Réchauffage par action sur taux EGR
Il faut rappeler que les taux d'EGR sont très importants en fonctionnement HCCI (40 à 70 %) : la masse de gaz d'échappement est souvent majoritaire dans la charge et la température de ces gaz brûlés reste élevée, même avec la technologie EGR refroidi.
Le dosage de ces gaz chauds est donc un moyen très efficace de régler la température de la charge, techniquement ce dosage EGR peut se réaliser en interne ou en externe : détaillons ces deux solutions.

Par épure décroisée
Cette épure est dite « décroisée » ou àcroisement négatif (en anglais : negative overlap).
Une épure croisée permet par son recouvrement de créer un balayage du volume mort ; si elle est décroisée, elle enferme des gaz d'échappement qui participent au cycle suivant. La fonction EGR est assurée par recirculation interne

Par soupape(s) EGR externe(s)
La soupape EGR est présente sur la totalité des diesels du marché, et sa commande obtient des temps de réactions assez faibles : il est donc tentant de l'utiliser directement pour la gestion HCCI en évitant des solutions plus compliquées. Son action sur le CA50 est indiscutable mais en configuration classique la gestion individuelle de chaque cylindre n'est pas possible. Il faut avoir recours à une soupape EGR par cylindre et autant de voies de régulation, pour rendre ce principe opérationnel. Le coût augmente mais la technologie reste totalement maîtrisée. Une autre solution est envisagée pour obtenir le même résultat : une soupape EGR unique plus un papillon par cylindre, pour agir sur les proportions du mélange de chaque cylindre.

Le contrôle du phasage de la combustion en boucle fermée:

Par analyse dN/dt
Il n'est pas nécessaire d'implanter un capteur supplémentaire pour contrôler la combustion. Le signal du capteur volant moteur porte des informations exploitables après analyse par le contrôle moteur. Ce sont les acyclismes près du PMH combustion qui vont être la signature de la combustion en cours, un manque d'accélération au-delà du PMH sera interprété (par rapports à des valeurs de référence) comme une combustion  décalée en retard ou ratée. Cette stratégie impose des séquences « d'apprentissage » au calculateur pour qu'il prenne en compte les erreurs d'usinage de la cible. Cette méthode est utilisée avec succès sur la plupart des moteurs à allumages commandés pour détecter les misfires (obligatoire pour satisfaire l'OBD2) et sur les derniers moteur diesel pour connaitre les débuts d'injection. Elle peut apporter une indication intéressante en combustion diesel mais celle-ci reste assez  binaire : elle ne suffit pas lorsqu'il s'agit d'obtenir une information angulaire pertinente sur le déroulement de la combustion.

Par accéléromètre piézo-électrique
Ce type de capteur est devenu courant sur moteur essence pour détecter le cliquetis moteur ; il est constitué d'un quartz piézoélectrique fixé sur le bloc moteur et une masse sismique qui lui est associée. Il est implanté au plus près de la chambre de combustion mais rarement dans la  culasse afin d'éviter les bruits mécaniques dus à la distribution. Delphi l'utilise avec succès sur son système d'injection diesel pour contrôler le début de combustion et recaler les temps de réactions des injecteurs en dynamique.Son application au HCCI est tentante car c'est une technologie peut onéreuse et d'implantation facile. On peut douter cependant de sa sensibilité car en HCCI il n'y a plus de départ de combustion détonante (due à la quantité injectée durant le délai d'auto inflammation) provoquant un front raide de pression. Il parait difficile d'exploiter le signal de manière qualitative sur toute la durée de combustion.

Par sonde d'ionisation (ou capteur ionique)
Le principe de ce capteur est basé sur le changement de conductivité des gaz lorsqu'ils sont en réaction et produisent des ions : une pointe métallique, sur laquelle est appliquée une tension continue, constatera cette baisse de conductivité, par rapport à la masse, au passage de la flamme. L'électrode centrale de bougie peut assurer cette fonction ainsi qu'une bougie de préchauffage si elle est isolée de la masse. Ce principe est utilisé depuis peu par BMW (système Bosch)(2) en combustion essence, sa fiabilité lui permet d'assurer seul la détection des ratés et de supprimer le capteur de cliquetis.

Par capteur de pression de chambre
Comme il n'est pas question d'implanter un nouvel organe dans la chambre de combustion, il est logique que la bougie de préchauffage prenne cette fonction à son compte. La mesure directe de pression en temps réel permet une analyse qualitative tout au long de la combustion et les informations acquises ne dépendent que de la puissance de calcul disponible dans le contrôle moteur. Ce type de capteur constitue donc une avancée certaine vers la maîtrise de la combustion HCCI. La marque BERU commercialise depuis 2007 une bougie de pré-chauffage avec  capteur de pression intégré (voir fiche innovation sur la bougie PSG BERU).

Il reste encore des défauts qui nous éloignent d'une application commerciale :

La régulation du calage de la combustion n'est pas encore assez réactive pour une utilisation de traction routière.

La transition HCCI mode normal est délicate à gérer car ce sont 2 configurations et des réglages totalement différents.

La gestion de la boucle de suralimentation devient compliquée car le mode HCCI « refroidit » les gaz d'échappement et réduit l'énergie à la turbine.

Les gaz d'échappement plus froids perturbent également les réactions catalytiques qui perdent de leur efficacité.

Le bruit émis par une combustion HCCI reste plus élevé que les combustions classiques et implique un surcoût (et un surpoids) en insonorisation

Les résultats sont dépendants de la formulation du carburant
Conclusions, prospective
Nous pouvons imaginer les solutions les plus probables à court terme:

Les voies réalisables avec technologie actuelle:
En cumulant les technologies EGR externe plus volet de mixage et calages de distribution variables nous possédons 4 paramètres de réglage du CA50 : commande vanne EGR + commande volet de Mixage + valeur du RFA + valeur de l'AFE. Ces technologies font partie des solutions actuelles et évitent de faire appel à un rapport volumétrique variable, par exemple, qui représente un coût et un saut technologique important.

La technologie de pré injection dans les gaz recirculés parait également incontournable car elle élargit les possibilités de réaction de la régulation en proposant une action cycle par cycle ce que ne font pas les 4 paramètres cités plus haut.

La régulation en boucle fermée de la combustion ne pourra pas faire l'économie d'un capteur de pression de chambre et Béru parait bien placé pour imposer son produit.

---

Méthodes et pratiques

Non commercialisé

---

Impact sur les compétences en atelier

Non commercialisé

---

Exemple d’outillage approprié

Non commercialisé

Non commercialisé