Les carburants sont en général des
mélanges d'hydrocarbures : pour l'essence, on peut compter
environ 20 à 30% d'alcanes de formule CnH2n+2,
5% de cycloalcanes, 30 à 45% d'alcènes et 30
à 45% d'aromatiques. Les propriétés
anti-détonantes d'un carburant sont mesurées par
rapport à un mélange d'iso-octane (peu
détonant), dont le nom exact est
2,2,4-triméthylpentane, et de n-heptane (très
détonant, au contraire). Depuis 1922, on sait que l'ajout de
0.5 gramme de plomb (tétraméthyl ou
tétraéthyl) par litre de carburant permet de
gagner environ 5 points d'indice d'octane. Cependant, la
nocivité du plomb pour les organismes (et pour les pots
catalytiques :-) ... ) fait que l'utilisation en est aujourd'hui
interdite dans nombre de pays.
De manière générale, l''indice
d'octane augmente lorsque :
- la longueur des chaînes carbonées diminue
- le nombre de chaînes secondaires augmente (pour un
même nombre d'atomes de C)
- le nombre de structures cycliques (cycloalcanes et aromatiques)
augmente
L'indice d'octane peut également être
amélioré par l'utilisation d'additifs ; les
composés organo-métalliques sont les plus
efficaces, mais les plus toxiques. L'aniline (C6H5NH2)
est un des plus efficaces additifs purement organiques, mais il en faut
pourtant environ 30 fois plus (en masse) que de plomb
tétraéthyle pour obtenir les mêmes
résultats.
Des expérimentations ont abouti à la conclusion
qu'une augmentation d'1 point de l'indice d'octane permet d'augmenter
d'1.5 à 2° l'avance à l'allumage avant de
voir apparaître la détonation.
L'indice de cétane est l'équivalent pour les moteurs diesel de l'indice d'octane pour les moteurs à essence. Un carburant à haut indice de cétane est caractérisé par sa facilité à s'auto-allumer. En effet, plus le carburant résiste à l'inflammation, plus le mélange air-carburant aura le temps de se former, et plus la combustion sera violente. Ainsi, les carburants sont comparés à un mélange d'alpha-méthylnaphtalene (C10H7CH3) et de n-cétane (C16H34), auxquels on associe respectivement des indices de 0 et de 100.
Comme on peut s'y attendre, l'indice d'octane est une fonction décroissante de l'indice de cétane, la relation étant d'ailleurs à peu près linéaire.
Les moteurs à allumage commandé
fonctionnent avec des flammes
pré-mélangées, ce qui impose un
mélange proche de la stoechiométrie. On
contrôle la puissance en sortie en faisant varier le
débit d'air; réduisant ainsi
l'efficacité du cycle.
Pour les diesels, en revanche, on parle plutôt de flammes de
diffusion (cf. bougie en cire ...), et le mélange n'est
stoechiométrique qu'aux alentours du front de flamme. La
puissance est alors contrôlée en faisant varier la
quantité de carburant injecté, ce qui permet de
substantielles économies à charge partielle.
La vitesse limite de combustion laminaire d'un
mélange air-hydrocarbures est de l'ordre de 0.5 m/s, valeur
bien insuffisante dans un moteur, ce qui explique l'importance de la
turbulence. Cette turbulence est le fruit des processus d'admission et
de compression, et elle est influencée par le dessin de la
chambre de combustion. Pour les flammes
pré-mélangées, la turbulence permet de
"casser" le front de flamme, ce qui permet d'en augmenter la surface et
donc d'accélérer la combustion. Elle a le
même résultat sur les flammes de diffusion en
favorisant la pulvérisation du carburant.
Une étincelle est déclenchée
par le système d'allumage lorsque le piston approche de la
fin de la course de compression. Le petit noyau de flamme ainsi
créé se propage alors dans le mélange
non-brûlé. Tant que ce noyau n'atteint pas une
taille comparable à l'échelle de la turbulence,
celle-ci n'a aucun effet sur la propagation. Cette première
phase de combustion est donc laminaire et dure entre 1 et 2 ms, soit de
15 à 30° vilebrequin à 2500 tours.
Environ 10 % de la masse de carburant est brûlée
à la fin de cette première phase.
C'est dans la deuxiéme phase qu'a lieu l'essentiel de la
combustion, et on considère qu'elle recouvre
approximativement l'intervalle [10-90 %] de masse de carburant
brûlé. C'est la phase fondamentale au niveau de la
production de travail mécanique, son "calage angulaire"
étant déterminant. L'avance à
l'allumage doit donc tenir compte de la durée de la
première phase, afin que la seconde débute
toujours au moment adéquat. La fin de cette phase est
également assez mal définie, mais on la place
généralement peu après le pic de
pression, qui intervient pour sa part entre 5 et 20°
vilebrequin après le PMH. Cette deuxième phase a
donc une "durée angulaire" constante, ce qui signifie
qu'elle se raccourcit lorsque le régime augmente,
contrairement à la première phase. Elle est
dominée par la turbulence, qui augmente avec le
régime.
Dans la dernière étape de la combustion, les gaz
brûlés deviennent majoritaires dans la chambre de
combsution, donc la surface de contact entre mélange
brûlé et mélange
non-brûlé diminue et la combustion ralentit.
Le mélange peut s'enflammer spontanément
au contact de zones chaudes, telles qu'une soupape
d'échappement ou des résidus carbonés
de combustion. Si ce phénomène a lieu avant
l'étincelle de la bougie, on parle de
pré-allumage.
La deuxième anomalie de combustion est l'auto-allumage : le
mélange non-brûlé est
chauffé par radiation et comprimé par la
combustion, et peut s'enflammer avant même d'avoir
été atteint par le front de flamme. Ce processus
est beaucoup plus rapide qu'une combustion normale, et s'apparente
à une réaction en chaîne, qui va
provoquer une augmentation très rapide de la pression. Les
vibrations des parois de la chambre de combustion qui en sont la
conséquence sont directement audibles, c'est le cliquetis.
Pré-allumage et auto-allumage sont étroitement
liés : le premier peut entraîner le second en
favorisant les pics de pression, le second peut entraîner le
premier en "détruisant" la couche limite thermique qui
"protège" les parois de la chambre de combustion,
multipliant ainsi les points chauds sources de pré-allumage.
C'est l'injection qui a lieu ici un peu avant la fin de la
course de compression. Dans une première phase, qui dure
pratiquement jusqu'au PMH, on ne constate pas de différence
en termes de pression (près de 30 bars à ce
moment, contre 10 bars lors de l'allumage dans un moteur à
essence) par rapport à un cycle moteur où le
carburant n'aurait pas été injecté. Le
carburant est pulvérisé en goutelettes et se
mélange avec l'air. Dans la deuxième phase, une
augmentation rapide de la pression (jusqu'à 60 bars, contre
50 pour un moteur à essence) provoque une combustion
incontrôlée du mélange. Si la
première phase a été trop longue,
cette seconde étape peut provoquer une sorte de cliquetis,
contre lequel on lutte en évitant d'injecter le carburant de
manière trop soudaine. Une stratégie peut
être d'injecter une petite quantité de carburant
avant l'injection principale. Enfin, la combustion est dans une
dernière étape contrôlée par
la diffusion, jusqu'à ce que le carburant soit
intégralement brûlé.
L'approche la plus simple est phénoménologique, et ne peut tenir compte des particularités dues à la géométrie de la chambre de combustion. Elle divise celle-ci en trois zones, la première contenant les gaz brûlés, la seconde les gaz non encore brûlés, et la troisième les gaz brûlés se situant à proximité des parois de la chambre de combustion (formant ce qu'on peut appeler une couche limite thermique). Des relations ont été proposées pour estimer l'évolution de la fraction x de masse brûlée en fonction de l'angle v de rotation du vilebrequin ; on a par exemple :
x(v) = 1 - exp [-a [(v-v0) / /\v]m+1]
où a et m sont des constantes empiriques (on a typiquement a = 5 et m = 2), /\v et v0 sont la durée et le point de départ de la combustion.
On peut progresser dans la complexité en adoptant des modèles qui introduisent la turbulence sans chercher à la prédire mais en l'utilisant plutôt comme une donnée d'entrée.
Enfin, l'utilisation de codes de calcul 3D représente la dernière étape dans le raffinement de la modélisation. Il faut ajouter aux équations de la dynamique des fluides des sous-modèles pour les différents phénomènes que représentent l'allumage, la combustion, les interactions du front de flamme avec les parois, et la production d'émissions polluantes.
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