La tension requise entre les électrodes de la bougie dépend de leur écartement et de la pression dans le cylindre. Elle varie en gros de 5 à 15 kV.
Le "timing" de l'allumage doit être
particulièrement
précis, compte tenu de ses conséquences sur la
puissance
fournie et sur le risque de cliquetis. En effet, si l'allumage est trop
précoce, l'augmentation de pression avant le PMH sera trop
importante, et le surplus de travail à fournir pendant la
fin de
la compression excédera le gain de travail fourni par le
piston
pendant le temps moteur, le bilan total étant donc
négatif. En outre, comme on l'a déjà
mentionné, les pressions et températures
élevées provoquées par un allumage
précoce
risquent de favoriser le cliquetis. En revanche, si l'allumage est trop
tardif, le travail fourni pendant le temps moteur va
décroître exagérément, et ce
phénomène ne sera pas compensé par la
diminution
du travail à fournir pendant la compression. De plus, la
combustion risque de ne pas avoir disposé de suffisamment de
temps pour se dérouler complètement avant que la
soupape
d'échappement ne s'ouvre en fin de détente, ce
qui peut
provoquer une surchauffe des soupapes en question.
Il existe donc un optimum, et l'on choisit en
général de
décaler l'allumage de l'optimum de quelques
degrés dans
le sens qui permet d'éviter le cliquetis,
c'est-à-dire de
réduire l'avance à l'allumage.
Le cliquetis est davantage susceptible d'intervenir à pleine
charge et à bas régime, car lorsque le
régime
augmente l'efficacité volumique diminue (donc les pressions)
de
même que le laps de temps disponible pour que le
mécanisme
du cliquetis puisse se déclencher. L'avance à
l'allumage
doit donc généralement être plus
importante
à bas régime qu'à haut
régime.
A charge partielle, pression et température sont plus réduites, donc la propagation de la flamme est plus lente. Par conséquent, l'allumage doit être "minuté" en conséquence.
On nomme lambda le rapport entre la masse d'air effectivement
admise et la masse nécessaire pour avoir une combustion
stoechiométrique (qui est de 14,7 kg d'air pour 1 kg de
carburant, soit près de 10000 litres d'air par litre de
carburant). La puissance maxi est obtenue pour un lambda compris entre
0.85 et 0.95, soit un mélange
légèrement riche. Cela s'explique en partie par
le fait que la chaleur latente de vaporisation de l'essence en
excès permet de refroidir le mélange et donc
d'améliorer le remplissage.
On peut descendre jusqu'à 0.4 pour un démarrage
à froid. En revanche, la conso mini est obtenue pour lambda
compris entre 1.05 et 1.3. Les limites de fonctionnement correspondent
approximativement à un rapport air:essence de 64:1 pour les
mélanges les plus pauvres à 3:1 pour les plus
riches, mais de telles valeurs sont réellement
extrêmes, et le fonctionnement du moteur dans de telles
conditions sera très chaotique.
Plus lambda augmente, plus la température du moteur augmente car la combustion ralentit. Au-delà de la valeur de 1.3, un moteur conventionnel ne fonctionne plus. Il faut avoir recours à de fortes turbulences : système V-Tec, charges stratifiées.
Le principe des moteurs à charge
stratifiée est de
disposer d'un mélange inflammable à
proximité
immédiate de la bougie, et un mélange moins riche
(éventuellement non-inflammable ; lambda peut y
dépasser
3) dans le reste du cylindre. On ne contrôle alors pas la
puissance par la quantité d'air admis, mais par la
quantité d'essence fournie, de façon assez
semblable
à un moteur diesel. La chambre de combustion doit
être
divisée de manière à créer
une
pré-chambre où se trouve la bougie. Une
cavité
sphéroïdale est réalisée dans
la tête
de piston, et permet d'imprimer un mouvement tourbillonnant (tumble)
"renversé" au mélange, en le faisant remonter
vers la
bougie. Au ralenti, un tel procédé permet de
réduire la consommation de près de 40% par
rapport
à un moteur classique.
[Note à la suite de la lecture d'un doc datant de 1997 :
Mitsubishi a notamment travaillé sur de tels moteurs. Le
problème principal vient de ce que ces moteurs "lean burn"
génèrent, dans certaines conditions de
fonctionnement,
beaucoup plus d'oxydes d'azotes que les moteurs normaux. Ces NOx
doivent être réduits en milieu oxydant, ce que les
pots
catalytiques avaient du mal à faire (du moins fin des
années 90). Les pots adaptés (dits Denox ou
NOx-trap)
n'étaient pas encore au point, et la teneur en soufre des
carburants européens leur était
défavorable. Les
moteurs lean burn ne pouvaient être commercialisés
qu'au
Japon, où les normes étaient moins
sévères
qu'en Europe. Ils étaient en effet incapables de
répondre
à Euro 96, et encore moins à Euro 2000]
L'injection fonctionne selon deux modes principaux : un mode
pauvre, qui correspond aux faibles besoins en puissance, et un mode
"normal".
Dans le premier mode, l'injection a lieu en fin de compression (la
pression dans le cylindre étant comprise entre 3 et 10 bars)
et le lambda global est de l'ordre de 2.5. Compte tenu des importants
besoins en air, le papillon reste grand ouvert, et les pertes de charge
sont ainsi limitées.
En mode normal, l'injection a lieu pendant la phase d'admission, ce qui
permet d'obtenir ensuite un mélange plus
homogène. La
pression dans le cylindre lors de l'injection est d'environ 1 bar, ce
qui permet d'obtenir un spray plus divergent qu'en mode pauvre, ce qui
va également dans le sens d'une bonne
homogénéité du mélange. En
outre, le
refroidissement assuré par l'injection précoce
permet de
gagner environ 5% en efficacité volumétrique. La
température en fin de compression est en plus
réduite
d'environ 30°, ce qui permet d'éviter le cliquetis
jusqu'à des taux de 12:1.
Les injecteurs utilisés dans les moteurs essence à injection directe doivent supporter des pressions d'injection de l'ordre de 100 bars, contre moins de 10 bars pour les injections indirectes (resp. environ 1500 et 300 pour des moteurs diesel ...). La forme du jet est déterminée par la levée de l'aiguille de l'injecteur ainsi que par la durée d'ouverture de cette dernière. La performance de ces moteurs est étroitement liée au timing de l'injection. Plus la charge moteur réduit, plus la "fenêtre" temporelle d'injection diminue.
Le premier moteur essence à injection directe (dont
le principe remonte aux années 30 ...)
commercialisé par Mitsubishi avait une cylindrée
unitaire de 450 cm3. Il semble être
particulièrement délicat de mettre cette
technologie au point sur des cylindrées unitaires plus
réduites. De plus, la gestion de la transition entre les
différents modes opératoires est complexe.
Le fonctionnement des moteurs à injection directe dans les
phases transitoires est meilleur, ils démarrent plus
facilement et ont besoin de moins d'enrichissement à froid,
mais ils ont en contrepartie tendance à produire davantage
d'hydrocarbures imbrûlés, et, comme les moteurs
diesel et pour les mêmes raisons, des particules. Les
gouttelettes de carburant les plus grosses, n'ayant pas eu suffisamment
de temps pour s'évaporer, en sont les responsables ... En
outre, la production de NOx d'un moteur à injection directe
est à peu près comparable à celle d'un
moteur à injection indirecte
Le problème des mélanges très pauvres est qu'ils ont tendance à engendrer de hautes températures. Ces températures élevées favorisent la formation de NOx que les catalyseurs troies voies ne peuvent réduire. Une solution consiste à utiliser un dispositif de recyclage des gaz d'échappement (EGR). La réinjection de gaz brûlés par un raccord placé sur la canalisation d'air frais permet de diminuer la température de combustion, et le taux de dilution élevé parfois utilisé (40% pour les moteurs à injection directe, 20% pour les moteurs à injection indirecte) permet de laisser le papillon plus ouvert, ce qui est bénéfique pour les pertes par pompage.
En présence d'un mélange pauvre, les catalyseurs trois voies travaillent en outre en mode "oxydation" ...
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