Le contenu de cet article est basé sur le rapport d'évaluation technique réalisé par Roush Industries pour le compte de CAELP en 2021. Il trie systématiquement les voies techniques pour des moteurs à essence efficaces en 2025 et au-delà, révélant les technologies clés pour améliorer l'efficacité thermique et réduire les émissions. Beaucoup de ces solutions techniques ont été mises en œuvre sur le marché actuel.
1. Technologie de dilution de gaz mixte
La valeur de rapport de chaleur spécifique est augmentée par la dilution EGR ou Air, augmentant ainsi la quantité de travail transférée par le piston pendant la course d'expansion. La figure suivante montre l'influence du rapport de compression (CR) et la valeur 𝛾 sur l'efficacité de conversion du carburant du cycle de volume constant. La valeur 𝛾 du mélange d'air est d'environ 1,4, tandis que les valeurs des produits de combustion (dioxyde de carbone et vapeur d'eau) sont plus faibles, près de 1,3. La valeur 𝛾 du mélange en cylindre dilué avec de l'air est plus élevée par rapport au mélange dilué par la recirculation des gaz d'échappement (CEGR). Cela rend le moteur avec combustion maigre (dilution d'air) plus efficace sous la même dilution équivalente (c'est-à-dire le rapport de carburant au mélange de gaz non alimentaire dans le cylindre).
1. Technologie de dilution de gaz mixte
La valeur de rapport de chaleur spécifique est augmentée par la dilution EGR ou Air, augmentant ainsi la quantité de travail transférée par le piston pendant la course d'expansion. La figure suivante montre l'influence du rapport de compression (CR) et la valeur 𝛾 sur l'efficacité de conversion du carburant du cycle de volume constant. La valeur 𝛾 du mélange d'air est d'environ 1,4, tandis que les valeurs des produits de combustion (dioxyde de carbone et vapeur d'eau) sont plus faibles, près de 1,3. La valeur 𝛾 du mélange en cylindre dilué avec de l'air est plus élevée par rapport au mélange dilué par la recirculation des gaz d'échappement (CEGR). Cela rend le moteur avec combustion maigre (dilution d'air) plus efficace sous la même dilution équivalente (c'est-à-dire le rapport de carburant au mélange de gaz non alimentaire dans le cylindre).
1.1 Reformage spécial non catalytique (D -gr)
Le système EGR dédié développé par Southwest Research Institute (SWRI). Ce système génère du gaz réformé avec des concentrations élevées de H₂ et CO en convertissant un cylindre en un mode de combustion riche en huile. Ces gaz réformateurs sont introduits dans les ports d'admission d'autres cylindres et la combustion complète dans la combustion de Si [10]. Le test de démonstration SWRI D-EGR effectué sur le moteur PFI à 2,4 litres à aspiration naturelle indique que l'économie de carburant s'est améliorée de plus de 10% dans toute la plage d'exploitation du moteur.
1.2 Réforme de la boucle de recirculation des gaz à déchets catalytiques
L'un des cylindres opère à un rapport maigre et adopte une technologie d'injection de carburant secondaire après combustion. Le gaz d'échappement de ce cylindre est traité par le lit de catalyseur et génère du gaz reformant riche en hydrogène par des réactions endothermiques. Dans le test du moteur GM ECOTEC LNF DI de 2,0 litres, lorsque la vitesse de rotation a atteint 2000 tr / min et que la valeur de boost était de 4 bar, une concentration d'admission d'hydrogène de 5% a été obtenue. Le rapport volume de la recirculation des gaz à déchets a été augmenté de moins de 25% à plus de 50%. L'efficacité de ce moteur au point de fonctionnement a augmenté de 8% par rapport à la valeur de référence.
2. Optimisation du rapport d'extension
Un moteur avec un taux de compression géométrique élevé mais un rapport de compression efficace inférieur au rapport d'expansion efficace est un moyen efficace d'améliorer l'efficacité du moteur. Dans les moteurs produits en masse, les cycles de surexpansion sont généralement obtenus en fermant les vannes d'admission à l'avance (EIVC) ou en retardant la fermeture des soupapes d'admission. La course d'admission plus courte entraîne une réduction de la quantité de compression attirée par le moteur par cycle, donc un moteur à déplacement plus grand est nécessaire pour maintenir le même niveau de couple / puissance que les moteurs non atkinson / miller. Pour les moteurs turbocompressés, la perte de volume de course d'admission peut être compensée en augmentant la pression de boost. Les moteurs avec des cycles de meuns turbocompressés ont un rapport d'expansion plus élevé et des températures d'échappement plus basses, réduisant ainsi la demande de combustion maigre.
Un défi auquel est confronté lors de l'adoption des stratégies EIVC et LIVC est que la turbulence à la fin de l'AVC de compression s'affaiblira. La figure 6 ci-dessous montre les changements dans l'énergie cinétique turbulente (TKE) dans le cylindre lorsque les stratégies EIVC et LIVC sont adoptées par rapport au moteur de référence. Cette réduction du TKE entraînera une diminution de l'efficacité de la combustion et de l'instabilité de la combustion. Dans certains cas, par rapport au moteur de référence, cela peut même entraîner une efficacité réduite et une augmentation des émissions.
La figure suivante montre le plan d'optimisation de conception requis pour le moteur de type B de troisième génération EA888 (quatre cylindres de 2,0 litres) afin de maintenir le niveau de turbulence en cylindre du moteur à cycle non milles de la génération précédente. Ce moteur adopte la technologie EIVC pour atteindre le cycle Miller, et il est nécessaire de maintenir la turbulence à l'intérieur du cylindre et l'efficacité de la combustion grâce à l'optimisation de la conception du moteur.
3. Un rapport de course d'alésage plus petit
La figure suivante montre les changements dans les trois principaux facteurs qui déterminent le rapport optimal de course d'alésage d'un moteur: vitesse du piston, rapport de surface / volume et chute de pression des deux côtés de la soupape d'admission. Le rapport optimal d'alésage d'alésage est déterminé par les facteurs suivants:
Vitesse moyenne du piston: Plus la course est longue, plus la vitesse moyenne du piston, tout en limitant la vitesse maximale du moteur. Qu'il s'agisse de moteurs turbocompressés ou à aspiration naturelle, la plupart d'entre eux n'ont pas atteint la limite supérieure de la vitesse moyenne du piston que la technologie actuelle peut atteindre (environ 25 m / s).
Caractéristiques de la chute de pression de soupape d'admission: Les moteurs avec une conception de rapport d'alésage grand peuvent augmenter la taille de la valve, formant une zone de passage d'écoulement plus grande (c'est-à-dire la zone d'écoulement), réduisant ainsi la chute de pression aux deux extrémités de la valve et améliorant l'efficacité volumétrique. Cependant, à des vitesses élevées, l'efficacité volumétrique des moteurs à faible taux d'alésage diminuera, entraînant une atténuation prématurée du couple et de la puissance dans la plage de vitesse du moteur.
Efficacité de transfert de chaleur: un rapport de compression plus faible (BSR) réduira le rapport de surface à volume de la chambre de combustion (en particulier près du centre mort supérieur de combustion), affaiblissant ainsi l'effet de transfert de chaleur de la combustion. À mesure que le rapport de compression augmente, le rapport surface / volume de la chambre de combustion augmente, entraînant une augmentation des pertes de transfert de chaleur et compensant certains des avantages apportés par l'amélioration de l'efficacité. Cet effet est particulièrement significatif dans les moteurs à cycle Atkinson-Miller avec des rapports de compression géométrique extrêmement élevés.
La résistance à la détonation provoquée par la distance de propagation des flammes: un rapport diamètre de cylindre plus petit raccourcira la distance de propagation de la flamme, réduisant ainsi le temps de libération de chaleur (augmentant la proportion de combustion de volume constant). Le raccourcissement du temps de combustion réduira également la détonation (le temps pour que le gaz terminal atteigne la condition d'auto-ingnition est plus court). Cela rend possible un rapport de compression plus élevé.
Turbulence dans le cylindre et le taux de combustion: à mesure que la vitesse du piston augmente, la turbulence dans le cylindre s'intensifie. Lorsque l'alésage et la course sont relativement faibles, dans la même vitesse de rotation et les mêmes conditions de déplacement, la vitesse de rotation du piston est en fait plus élevée. Cette turbulence améliorée peut accélérer le taux de combustion et réduire la tendance de la détonation (car le temps pour le gaz terminal à atteindre la condition d'auto-ingnition est plus court). Cela permet au moteur d'adopter un rapport de compression plus élevé.
4. Optimisation de la gestion thermique
Un moteur SI typique génère une grande quantité de chaleur pendant la combustion, dont environ un tiers est transféré à la paroi du cylindre et un autre tiers est perdu dans le liquide de refroidissement. Les technologies clés pour réduire la perte de transfert de chaleur comprennent:
L'augmentation du mélange maigre conservé peut abaisser la température de combustion, réduisant ainsi les pertes de transfert de chaleur
Les moteurs conçus avec un faible rapport de surface spécifique (BSR) peuvent réduire efficacement le rapport de surface à volume de la chambre de combustion, minimisant davantage les pertes de transfert de chaleur
Système de refroidissement divisé - En configurant des circuits de refroidissement indépendants pour le bloc-cylindres et la culasse, la température de travail optimale de la culasse et du bloc de cylindre peut être maintenue. Les culasses à basse température peuvent empêcher le fait de frapper et de prendre en charge un fonctionnement élevé de ratio de compression. Les parois de cylindre à haute température peuvent réduire les pertes de transfert de chaleur et la baisse des frictions. Le système de refroidissement divisé peut également accélérer le préchauffage de la chambre de combustion, améliorer la stabilité de la combustion et réduire les émissions pendant les départs à froid.
Le revêtement de barrière thermique, à travers une structure composite de revêtements en céramique (tels que la zircone stabilisée YSZ YTTria) et les couches de liaison métallique, peut réduire la température du mur de la chambre de combustion de 150 à 300 degrés et diminuer la perte d'énergie de conduction par le bloc de cylindres et le piston (représentant 25-30% de la perte d'énergie totale).
Résumé
La figure suivante résume l'influence de différentes technologies sur chaque lien du fonctionnement du moteur. La partie verte indique des effets positifs, tandis que la partie rouge présente des impacts négatifs. Par exemple, la technologie EGR de refroidissement peut améliorer la capacité thermique spécifique du mélange dans le cylindre, réduire les pertes de transfert de chaleur et ainsi améliorer l'efficacité du moteur. Cependant, dans le même temps, cette technologie aura un effet négatif sur la stabilité de la combustion et le taux de combustion. Par conséquent, le combiner avec un système d'allumage à haute énergie et une conception de moteur à faible rapport alésage auront plus d'avantages. Certaines interactions faibles ne sont pas représentées sur la figure, telles que l'influence du rapport de compression (sous le même rapport d'alésage du même cylindre) sur des paramètres comme le transfert de chaleur.
