Comment fonctionnent les moteurs à allumage par compression à gaz

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Le moteur SKYACTIV-X de Mazda est le premier moteur à essence commercial au monde à utiliser l'allumage par compression. Mazda

À l'été 2017, Mazda a fait une annonce: le constructeur automobile a trouvé un moyen de fabriquer des moteurs à essence à allumage par compression pour les voitures particulières. Mazda a affirmé que son nouveau moteur pourrait améliorer l'économie de carburant de 20 à 30%, ce qui est une réalisation considérable pour un moteur à essence.

Avant de plonger dans cette technologie, il convient de noter que le moteur à allumage par compression n'est pas un nouveau concept. Les voitures de Formule 1 utilisent des moteurs à allumage par compression, et plusieurs autres constructeurs automobiles ont tenté de développer une version commercialement viable pour les voitures particulières. Mais le moteur de Mazda, surnommé le Skyactiv-X, sera le premier moteur produit en série et disponible dans le commerce de ce type. Grâce à Jay Chen, un ingénieur du groupe motopropulseur chez Mazda, a pu apprendre comment cette percée a été réalisée. Cependant, nous devons d'abord examiner les fonctions de base d'un moteur.

Un moteur fonctionne en allumant le carburant de deux manières: la chaleur et la compression. Les moteurs à allumage par étincelle se trouvent dans la plupart des voitures à essence. Dans ces types de moteurs, les bougies d'allumage se déclenchent pour enflammer le carburant dans la chambre de combustion, tandis que le mélange de carburant et d'air est également comprimé. Il s'agit d'une version très simplifiée du processus, bien sûr, juste pour illustrer la principale différence entre les deux types de moteurs. Les moteurs à allumage par étincelle suivent un cycle et nécessitent une synchronisation précise pour fonctionner, mais sont généralement fiables dans diverses conditions [source: Knight].

Les moteurs à allumage par compression fonctionnent plus comme des moteurs diesel. Les diesels sont conçus pour une compression beaucoup plus élevée (ce qui nécessite des composants plus lourds et une construction plus solide) et utilisent des bougies de préchauffage comme source de chaleur plutôt que des bougies d'allumage. Les bougies de préchauffage chauffent la chambre de compression, ce qui à son tour augmente la compression à l'intérieur de la chambre. Lorsque le carburant est ajouté à la chambre, il est pulvérisé à travers la pointe de la bougie de préchauffage, mais le processus repose davantage sur la compression que sur le contact du carburant et du bouchon. Le manque d '«étincelle» aide les moteurs diesel à atteindre des cotes EPA plus élevées que les moteurs à essence avec des spécifications par ailleurs similaires [source: Stewart].

Si nous nous concentrons sur l'essence, vous vous demandez peut-être à quoi sert d'expliquer le fonctionnement d'un moteur diesel? Simplement, pour illustrer l'importance de la compression. La meilleure façon d'améliorer le moteur à essence est de comprendre comment augmenter la compression, ce qui permet au moteur d'utiliser son alimentation en carburant plus efficacement..

Un moteur à essence à allumage par compression combine les meilleures parties de ces processus. Le moteur est programmé pour piéger l'air (généralement, l'échappement du moteur) dans le cylindre du moteur en ajustant le calage des soupapes d'échappement et d'admission. Les injecteurs de carburant ajoutent du carburant à cet échappement piégé, et comme le mélange piégé est soumis à une compression très élevée, la quantité relativement faible de carburant est capable de s'enflammer..

Les moteurs à allumage par compression peuvent même être divisés en deux types différents [source: Lindberg].

  • Allumage par compression de charge homogène (HCCI): Ce moteur mélange l'air et le carburant, puis comprime ce mélange jusqu'à ce qu'il s'enflamme. Le moteur de Mazda sera le premier moteur de type HCCI à être produit en série.
  • Allumage par compression directe à essence (GDCI): Ce moteur projette l'essence dans un mélange d'air et d'échappement qui a déjà été comprimé.

La principale différence entre ces deux moteurs réside dans le stade du processus d'ajout du carburant, obtenu grâce à des ajustements des cycles et de la synchronisation des moteurs. Sinon, les moteurs fonctionnent de la même manière; la compression est le facteur le plus important.

Le SKYACTIV-G de 2,0 litres a la puissance d'un moteur de 2,5 litres et l'efficacité d'un moteur diesel de 1,5 litre. Mazda

Les moteurs à allumage par compression présentent quelques avantages et au moins autant d'inconvénients. Parmi ses avantages figurent:

  • Il utilise moins de carburant qu'un moteur à allumage commandé
  • Il utilise le carburant plus efficacement (en d'autres termes, moins de puissance est perdue à l'allumage réel et à l'excès de chaleur)
  • Comme moins de carburant est utilisé, la voiture pollue moins

«Par analogie approximative, l'allumage par étincelle équivaut à allumer un feu en allumant un seul bord du bois d'allumage du journal et en laissant la flamme grimper progressivement sur le papier», explique Jay Chen, ingénieur du groupe motopropulseur de Mazda, par courrier électronique. "[L'allumage par compression] ressemble plus à une combustion spontanée où le carburant et l'air ont atteint une pression et une température critiques, et la charge entière change de phase en même temps, libérant ainsi toute l'énergie en même temps. En libérant toute l'énergie presque en même temps, [ allumage par compression] peut extraire plus de puissance (car cela se produit bien avant que le taux de dilatation ne soit épuisé) de la même quantité d'air tout en utilisant deux à trois fois moins de carburant et à des températures de combustion beaucoup plus froides, ce qui réduit encore le gaspillage d'énergie thermique et la formation d'émissions . "

Ça sonne bien, non? Le problème est que ces moteurs sont vraiment difficiles - s'ils étaient faciles à concevoir et à utiliser, nous les conduirions maintenant. Même si vous n'êtes pas familier avec les moteurs diesel, vous avez peut-être entendu dire qu'ils peuvent être gênants dans des conditions sous-optimales. Cela est dû en partie au carburant diesel lui-même, qui a tendance à «gélifier» à des températures très froides. Nous n'avons pas ce problème avec l'essence, qui reste liquide même dans des conditions sous le point de congélation. Mais l'allumage par compression peut toujours être affecté par les conditions météorologiques et d'autres conditions ambiantes, ainsi que par d'autres facteurs comme la qualité du carburant..

«Jusqu'à présent, les moteurs à combustion interne à allumage par compression n'existaient que dans des conditions de laboratoire stables ou des prototypes de véhicules bruts trop rugueux pour être appliqués en production», dit Chen..

En d'autres termes, si la pression et la température dans les cylindres ne sont pas soigneusement maintenues, le processus ne fonctionnera pas. Des températures trop froides peuvent endommager les composants sensibles du moteur. Si le moteur devient trop chaud, il peut commencer à cogner - une condition qui se produit lorsque le mélange air-carburant devient trop chaud et explose au mauvais moment, ce qui gaspille du carburant et entraîne un mauvais fonctionnement du moteur. Un moteur à allumage par étincelle peut également devenir trop froid ou trop chaud, mais a une marge d'erreur beaucoup plus élevée.

Faire fonctionner un moteur à allumage par compression de manière fiable dépend d'une combinaison précise d'air, de carburant et de gaz d'échappement mélangés dans le rapport parfait, à la compression parfaite, avec juste la bonne quantité de chaleur appliquée au bon moment. Comme nous le savons, personne n'a encore pu construire une voiture avec un moteur à essence à allumage par compression, ce processus devait donc être affiné davantage..

Une voiture propulsée par un moteur à allumage par compression à gaz peut être au moins aussi efficace qu'une voiture électrique, et peut-être même plus. Reimar Gaertner / UIG

Peu de temps après l'annonce de Mazda, les experts de l'industrie automobile ont commencé à se demander si un moteur à allumage par compression du marché de masse pouvait «sauver» les moteurs à essence. Autrement dit, à mesure que l'industrie se dirige davantage vers la technologie hybride et électrique, ce moteur à essence pourrait-il être suffisamment efficace pour être un concurrent viable??

Chen dit que Mazda est motivé par la conviction que, "en tirant parti de chaque bit d'efficacité du moteur à combustion interne (en conjonction avec l'électrification une fois que le moteur à combustion interne est perfectionné), nous pouvons fournir une méthode d'alimentation de l'automobile bien dans ce siècle. qui a le potentiel de générer autant ou moins d'émissions de CO2 «du puits à la roue» que les véhicules électriques à batterie purs alimentés par des centrales électriques à combustibles fossiles de diverses formes. "

En d'autres termes, Mazda pense qu'avec une innovation continue, une voiture propulsée par un moteur à essence peut être au moins aussi efficace qu'une voiture électrique, et peut-être même plus. Voyons en quoi cette percée dans la technologie d'allumage par compression est différente de celles qui l'ont précédée.

En 2007, Motor Trend a conduit une Saturn Aura propulsée par un moteur à allumage par compression, qui a permis une réduction de 15% de la consommation de carburant par rapport à une Aura ordinaire [source: Markus]. À l'époque, GM s'attendait à sortir un véhicule avec un moteur à allumage par compression en 2015, mais la marque Saturn a été fermée quelques années plus tard, et GM s'est progressivement tourné vers les véhicules électriques et hybrides rechargeables tels que le Chevrolet Volt.

À peu près à la même époque, Mercedes-Benz travaillait sur un système d'allumage par compression appelé DiesOtto, et Ford avait également un projet en développement [source: Estrada]. Cependant, aucun de ces moteurs n'a obtenu le feu vert pour la production, et l'expérience de Hyundai peut aider à expliquer pourquoi [source: Markus].

Hormis Mazda, c'est probablement Hyundai qui a fait le plus de progrès, avec des efforts qui ont été révélés pour la première fois vers 2013 [source: Markus]. La société a conçu sa version d'un moteur à allumage par compression sans bougies d'allumage ni bougies de préchauffage, avec une date de sortie cible de 2023.

Malgré des progrès prometteurs, Hyundai a révélé en 2016 que les composants du moteur n'étaient tout simplement pas assez solides pour supporter la compression requise pour que le processus fonctionne. Des composants de moteur plus solides, à savoir le bloc, la manivelle et les roulements, peuvent être conçus, bien sûr; c'est ainsi que fonctionnent les moteurs diesel. C'est juste très cher, et ces composants plus solides ajoutent du poids à la voiture et réduisent son efficacité globale. Hyundai avait prévu depuis le début d'utiliser un turbocompresseur pour augmenter la puissance et maintenir la compression nécessaire, mais ils ont découvert qu'ils auraient également besoin d'un compresseur, ce qui réduisait encore plus le budget. Et enfin, Hyundai n'était pas satisfait de la quantité de pollution produite par ces groupes motopropulseurs. En fin de compte, le projet était beaucoup plus cher et pas aussi propre et efficace que prévu [source: Markus].

Les efforts de développement de Mazda durent presque aussi longtemps que ses concurrents.

«Skyactiv-X était toujours dans les plans avant même le lancement de la première génération de Skyactiv», explique l'ingénieur Mazda Chen. «La première étape de cette feuille de route a été la technologie Skyactiv de Mazda [qui a été] introduite en 2009. La principale amélioration à l'époque était l'application d'un taux de compression du moteur inhabituellement élevé pour augmenter l'efficacité globale du moteur ainsi que les performances du groupe motopropulseur. combinaison synergique de techniques existantes appliquées ensemble pour réaliser ce qui était (jusque-là) jugé impossible pour les moteurs de production. "

En termes simples: "Skyactiv" est le terme pour la stratégie de Mazda d'augmenter la compression pour augmenter l'efficacité, et Mazda a dû bricoler un peu pour faire fonctionner le futur Skyactiv-X. À la suite de ce bricolage, Mazda a ajouté une bougie d'allumage dans le mélange, de sorte que le moteur puisse basculer entre la compression et l'allumage par étincelle en fonction de ce qui est le plus efficace à l'époque. Cela peut sembler aller à l'encontre des bases de la technologie des moteurs à haute compression, mais Chen dit que cela fonctionne.

"Cette percée, que nous appelons l'allumage par compression commandé par étincelle (SPCCI), a considérablement élargi la plage utilisable de fonctionnement et de contrôle de l'allumage par compression et a fourni la solution pour une transition transparente entre CI [allumage par compression] et SI [allumage par étincelle] modes de combustion utilisés à des régimes moteur élevés (dans le cas de Skyactiv-X) », explique Chen.

En termes plus simples, la bougie d'allumage est l'ingrédient magique qui permet au moteur de fonctionner correctement et de s'adapter à différentes conditions, et elle ne sera utilisée que lorsque cela est absolument nécessaire. Le moteur de Mazda est conçu pour se surveiller et ajuster son fonctionnement en fonction de facteurs tels que les conditions environnementales actuelles, la façon dont la voiture est conduite et les préférences et les paramètres du conducteur [source: Estrada].

Après que Mazda eut cette idée, il a fallu encore deux ans pour développer le moteur, période pendant laquelle une autre décision importante a été prise. Les véhicules équipés de moteurs Skyactiv-X seront équipés de suralimenteurs pour augmenter les spécifications de puissance, ce qui améliorera la dynamique de conduite et aidera à convaincre les acheteurs potentiels de tenter leur chance sur cette nouvelle technologie [source: Estrada].

La dernière grande question - quand les conducteurs peuvent-ils s'attendre à le voir? Un porte-parole de Mazda a déclaré que la société ne pouvait pas encore divulguer quels véhicules seront les premiers équipés du moteur Skyactiv-X ni quand ils seront disponibles. Nous ne savons pas non plus si les véhicules équipés de moteurs à allumage par compression coûteront plus cher que les véhicules comparables équipés de moteurs à allumage par étincelle. Cependant, il est prudent de spéculer que si Mazda sera le premier à commercialiser cette technologie, d'autres fabricants sont presque certains de suivre..

Note de l'auteur: Fonctionnement des moteurs à allumage par compression à gaz

Contrairement à beaucoup de mes collègues, je ne suis pas particulièrement préoccupé par «l'économie des moteurs à essence», même si cela contribuerait probablement à la sécurité de l'emploi. Peut-être que je devrais être un peu plus égoïste à ce sujet, mais j'ai décidé d'écrire sur le moteur à allumage par compression simplement parce que je suis intrigué par toute innovation qui peut aider à rendre une voiture plus efficace..

Pour cette raison - la durabilité en général - je suis impatient de tester un véhicule avec un moteur à allumage par compression dès qu'il sera disponible. Comme les hybrides et les véhicules électriques, je pense qu'il y aura beaucoup de discussions sur la question de savoir si ces véhicules sont suffisamment puissants ou non. Honnêtement, je soupçonne que la personne moyenne ne pourra pas faire la différence. Il existe de nombreuses façons de rendre une voiture intéressante à conduire en plus de la rendre aussi puissante que possible, et c'est un domaine dans lequel Mazda excelle..

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Sources

  • Brown, Jacob. Spécialiste, Communications de produits, Mazda. Correspondance personnelle. 1 septembre 2017.
  • Chen, Jay. Ingénieur groupe motopropulseur, Mazda. Correspondance personnelle via Jacob Brown. 1 septembre 2017.
  • Estrada, Zac. "Mazda pourrait avoir la technologie pour sauver le moteur à combustion interne." Le bord. 8 août 2017 (30 août 2017) https://www.theverge.com/2017/8/8/16099536/mazda-compression-ignition-engine-technology
  • Chevalier, Cheryl. "Comment fonctionne un système d'allumage de voiture." Votre mécanicien. 19 novembre 2015 (29 août 2017) https://www.yourmechanic.com/article/how-a-car-ignition-system-works
  • Lindberg, Austin. «Hyundai développe un moteur à allumage par compression à essence». Voiture et chauffeur. 18 novembre 2013 (30 août 2017) http://blog.caranddriver.com/hyundai-developing-gasoline-burning-compression-ignition-engine/
  • Markus, Frank. "Technologue: Love Child - Driving the Ultimate Bastard Engine." Motor Trend. 19 novembre 2007. (30 août 2017) http://www.motortrend.com/news/technologue-41/
  • Markus, Frank. "Qu'est-il arrivé au moteur HCCI de Hyundai?" Motor Trend. 14 décembre 2016 (30 août 2017) http://www.motortrend.com/news/whatever-happened-hyundais-hcci-engine/
  • Mazda. «Mazda annonce une vision à long terme pour le développement technologique,« Zoom-Zoom 2030 durable »» 8 août 2017. (20 août 2017) http://www2.mazda.com/en/publicity/release/2017 /201708/170808a.html
  • Stewart, Jack. "Le nouveau moteur Crafty de Mazda fait plus de kilomètres avec moins de carburant." Filaire. 9 août 2017 (30 août 2017) https://www.wired.com/story/mazda-injection-compression-skyactivx-engine/
  • Szymkowski, Sean. "Comment le moteur SkyActiv-X de Mazda, basé sur HCCI, fonctionne réellement (vidéo)." Rapports de voitures vertes. 21 août 2017 (30 août 2017) http://www.greencarreports.com/news/1112222_how-mazdas-skyactiv-x-engine-based-on-hcci-actually-works-video



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