Cognement du moteur - Engine knocking

Cognement (également frapper , détonation , cognement , cliquetis ou denteler ) à allumage commandé de moteurs à combustion interne se produit lorsque la combustion d'une partie du mélange air / carburant dans le cylindre ne résulte pas de propagation du front de flamme à allumage par la bougie d'allumage , mais une ou plusieurs poches de mélange air/carburant explosent en dehors de l'enveloppe du front normal de combustion. La charge air-carburant est destinée à être allumée par la bougie d'allumage uniquement, et à un point précis de la course du piston. Le cliquetis se produit lorsque le pic du processus de combustion ne se produit plus au moment optimal pour le cycle à quatre temps . L'onde de choc crée le son caractéristique de "ping" métallique et la pression du cylindre augmente considérablement. Les effets du cliquetis du moteur vont d'insignifiants à complètement destructeurs.

Le cognement ne doit pas être confondu avec le pré-allumage - ce sont deux événements distincts. Cependant, le pré-allumage peut être suivi d'un cognement.

Le phénomène de détonation a été décrit en novembre 1914 dans une lettre de Lodge Brothers (fabricants de bougies d'allumage, et fils de Sir Oliver Lodge ) réglant une discussion concernant la cause du "Knocking" ou du "Pinging" dans les motos. Dans la lettre, ils ont déclaré qu'un allumage précoce peut provoquer la détonation du gaz au lieu de l'expansion habituelle, et le son produit par la détonation est le même que si les pièces métalliques avaient été frappées avec un marteau. Il a été étudié plus avant et décrit par Harry Ricardo lors d'expériences menées entre 1916 et 1919 pour découvrir la raison des pannes des moteurs d'avion .

Combustion normale

Dans des conditions idéales, le moteur à combustion interne commun brûle le mélange carburant/air dans le cylindre de manière ordonnée et contrôlée. La combustion est démarrée par la bougie d'allumage environ 10 à 40 degrés de vilebrequin avant le point mort haut (PMH), en fonction de nombreux facteurs, notamment la vitesse et la charge du moteur. Cette avance à l'allumage permet au processus de combustion de développer une pression maximale au moment idéal pour une récupération maximale du travail des gaz en expansion.

L'étincelle à travers les électrodes de la bougie forme un petit noyau de flamme approximativement de la taille de l'écartement de la bougie. Au fur et à mesure qu'il grandit, sa production de chaleur augmente, ce qui lui permet de croître à un rythme accéléré, se dilatant rapidement à travers la chambre de combustion. Cette croissance est due au déplacement du front de flamme à travers le mélange combustible-air lui-même et à l' instabilité de Rayleigh-Taylor (résultant de l'expansion des gaz de combustion chauds et de faible densité dans le mélange combustible-air non brûlé relativement froid et dense ) qui étire rapidement la zone de combustion en un complexe de doigts de gaz en combustion qui ont une surface beaucoup plus grande qu'une simple boule de flamme sphérique aurait (ce dernier processus est amélioré et accéléré par toute turbulence préexistante dans le combustible-air mélange). En combustion normale, ce front de flamme se déplace dans tout le mélange carburant/air à une vitesse caractéristique pour le mélange particulier. La pression monte doucement jusqu'à un pic, car presque tout le carburant disponible est consommé, puis la pression diminue à mesure que le piston descend. La pression maximale du cylindre est atteinte quelques degrés de vilebrequin après que le piston passe le PMH, de sorte que la force appliquée sur le piston (à partir de la pression croissante appliquée à la surface supérieure du piston) peut donner sa poussée la plus dure précisément lorsque la vitesse du piston et l'avantage mécanique sur le vilebrequin donne la meilleure récupération de la force des gaz en expansion, maximisant ainsi le couple transféré au vilebrequin.

Combustion anormale

Lorsque le mélange carburant/air non brûlé au-delà de la limite du front de flamme est soumis à une combinaison de chaleur et de pression pendant une certaine durée (au-delà de la période de retard du carburant utilisé), une détonation peut se produire. La détonation est caractérisée par un allumage explosif presque instantané d'au moins une poche de mélange carburant/air à l'extérieur du front de flamme. Une onde de choc locale est créée autour de chaque poche, et la pression du cylindre augmentera fortement - et peut-être au-delà de ses limites de conception - provoquant des dommages. (La détonation est en fait plus efficace que la déflagration, mais est généralement évitée en raison de ses effets dommageables sur les composants du moteur.)

Si la détonation persiste dans des conditions extrêmes ou sur de nombreux cycles du moteur, les pièces du moteur peuvent être endommagées ou détruites. Les effets délétères les plus simples sont généralement l'usure des particules causée par un cognement modéré, qui peut en outre s'ensuivre à travers le système d'huile du moteur et provoquer l'usure d'autres pièces avant d'être piégées par le filtre à huile. Une telle usure donne un aspect d'érosion, d'abrasion, ou un aspect "sablé", similaire aux dommages causés par la cavitation hydraulique. Severe cognement peut conduire à une défaillance catastrophique sous la forme de trous physiques fondu et poussé à travers le piston ou la culasse ( par exemple, une rupture de la chambre de combustion ), soit de ce qui dépressurise le cylindre concerné et présente de grands fragments métalliques, le combustible et les produits de combustion dans le système d'huile. Les pistons hypereutectiques sont connus pour se briser facilement à cause de telles ondes de choc.

La détonation peut être évitée par l'une ou l'ensemble des techniques suivantes :

  • retarder le calage de l'allumage
  • l'utilisation d'un carburant à indice d'octane élevé , qui augmente la température de combustion du carburant et réduit la propension à exploser
  • enrichissement du rapport air-carburant qui modifie les réactions chimiques lors de la combustion, réduit la température de combustion et augmente la marge de détonation
  • réduire la pression maximale dans les cylindres
  • diminuer la pression d'admission en réduisant l'ouverture du papillon ou la pression de suralimentation
  • réduire la charge sur le moteur

Parce que la pression et la température sont fortement liées, le cliquetis peut également être atténué en contrôlant les températures maximales de la chambre de combustion par la réduction du taux de compression , la recirculation des gaz d'échappement , l'étalonnage approprié du calendrier d'allumage du moteur et une conception soignée des chambres de combustion et du système de refroidissement du moteur. comme contrôlant la température initiale d'admission d'air.

L'ajout de certains matériaux tels que le plomb et le thallium réprimera extrêmement bien la détonation lorsque certains combustibles sont utilisés. L'ajout de plomb tétraéthyle (TEL), un composé organoleptique soluble ajouté à l'essence, était courant jusqu'à ce qu'il soit abandonné pour des raisons de pollution toxique. La poussière de plomb ajoutée à la charge d'admission réduira également le cliquetis avec divers hydrocarbures. Des composés de manganèse sont également utilisés pour réduire le cliquetis avec l'essence.

Les coups sont moins fréquents dans les climats froids. En tant que solution de rechange, un système d' injection d'eau peut être utilisé pour réduire les températures de pointe de la chambre de combustion et ainsi supprimer la détonation. La vapeur (vapeur d'eau) supprimera le cliquetis même si aucun refroidissement supplémentaire n'est fourni.

Certains changements chimiques doivent d'abord se produire pour que le cognement se produise, par conséquent, les carburants avec certaines structures ont tendance à cogner plus facilement que d'autres. Les paraffines à chaîne ramifiée ont tendance à résister au choc tandis que les paraffines à chaîne droite frappent facilement. Il a été théorisé que le plomb, la vapeur et autres interfèrent avec certains des divers changements oxydatifs qui se produisent pendant la combustion et réduisent donc le cliquetis.

La turbulence, comme indiqué, a un effet très important sur le cliquetis. Les moteurs avec une bonne turbulence ont tendance à cogner moins que les moteurs avec une mauvaise turbulence. La turbulence se produit non seulement lorsque le moteur inhale, mais également lorsque le mélange est comprimé et brûlé. De nombreux pistons sont conçus pour utiliser une turbulence « squish » pour mélanger violemment l'air et le carburant ensemble lorsqu'ils sont enflammés et brûlés, ce qui réduit considérablement le cliquetis en accélérant la combustion et en refroidissant le mélange non brûlé. Un exemple de ceci est tous les moteurs modernes à soupapes latérales ou à tête plate . Une partie considérable de l'espace libre est amenée à proximité immédiate de la couronne du piston, ce qui crée beaucoup de turbulences près du PMH. Au début des têtes de soupapes latérales, cela n'était pas fait et un taux de compression beaucoup plus bas devait être utilisé pour un carburant donné. De plus, ces moteurs étaient sensibles à l'avance à l'allumage et avaient moins de puissance.

Le cognement est plus ou moins inévitable dans les moteurs diesel , où le carburant est injecté dans de l'air hautement comprimé vers la fin de la course de compression. Il y a un court décalage entre le carburant injecté et le démarrage de la combustion. A ce moment, il y a déjà une quantité de carburant dans la chambre de combustion qui s'enflammera d'abord dans les zones de plus grande densité d'oxygène avant la combustion de la charge complète. Cette augmentation soudaine de la pression et de la température provoque le « cliquetis » ou le « cliquetis » distinctif du diesel, dont certains doivent être pris en compte dans la conception du moteur.

Une conception soignée de la pompe d'injection, de l'injecteur de carburant, de la chambre de combustion, de la couronne de piston et de la culasse peut réduire considérablement le cliquetis, et les moteurs modernes utilisant l' injection électronique à rampe commune ont de très faibles niveaux de cliquetis. Les moteurs à injection indirecte ont généralement des niveaux de cliquetis plus faibles que les moteurs à injection directe , en raison de la plus grande dispersion de l'oxygène dans la chambre de combustion et des pressions d'injection plus faibles permettant un mélange plus complet du carburant et de l'air. Les diesels ne souffrent pas exactement du même « cliquetis » que les moteurs à essence puisque la cause est connue pour n'être que le taux très rapide de montée en pression, et non une combustion instable. Les carburants diesel sont en fait très sujets au cliquetis dans les moteurs à essence, mais dans le moteur diesel, le cliquetis n'a pas le temps de se produire car le carburant n'est oxydé que pendant le cycle de détente. Dans le moteur à essence, le carburant s'oxyde lentement tout le temps pendant qu'il est comprimé avant l'étincelle. Cela permet que des changements se produisent dans la structure/la composition des molécules avant la période très critique de température/pression élevée.

Détection de cliquetis

En raison de la grande variation de la qualité du carburant, de la pression atmosphérique et de la température ambiante ainsi que de la possibilité d'un dysfonctionnement, chaque moteur à combustion moderne contient des mécanismes pour détecter et empêcher le cliquetis.

Une boucle de contrôle surveille en permanence le signal d'un ou plusieurs capteurs de cliquetis (généralement des capteurs piézoélectriques capables de traduire les vibrations en un signal électrique). Si le pic de pression caractéristique d'une combustion à cliquetis est détecté, le calage de l'allumage est retardé de quelques degrés. Si le signal se normalise indiquant une combustion contrôlée, le calage de l'allumage est avancé à nouveau de la même manière en maintenant le moteur à son meilleur point de fonctionnement possible, ce que l'on appelle la « limite de cliquetis ». Les systèmes de boucle de contrôle de cliquetis modernes sont capables d'ajuster les synchronisations d'allumage pour chaque cylindre individuellement. Selon le moteur spécifique, la pression de suralimentation est régulée simultanément. De cette façon, les performances sont maintenues à leur maximum tout en éliminant principalement le risque de dommages au moteur causés par le cliquetis, par exemple lors du fonctionnement avec du carburant à faible indice d'octane.

Un premier exemple de cela est dans les moteurs Saab H turbocompressés , où un système appelé Contrôle automatique des performances a été utilisé pour réduire la pression de suralimentation s'il faisait cogner le moteur.

Prédiction de frappe

Étant donné que l'évitement de la combustion par cliquetis est si important pour les ingénieurs de développement, une variété de technologies de simulation ont été développées qui peuvent identifier la conception du moteur ou les conditions de fonctionnement dans lesquelles le cliquetis est susceptible de se produire. Cela permet ensuite aux ingénieurs de concevoir des moyens d'atténuer la combustion par cliquetis tout en maintenant une efficacité thermique élevée.

Étant donné que l'apparition du cliquetis est sensible à la pression dans le cylindre, à la température et à la chimie d'auto-inflammation associées aux compositions locales du mélange dans la chambre de combustion, les simulations qui tiennent compte de tous ces aspects se sont donc avérées les plus efficaces pour déterminer les limites de fonctionnement du cliquetis et permettre aux ingénieurs pour déterminer la stratégie d'exploitation la plus appropriée.

Contrôle de frappe

L'objectif des stratégies de contrôle du cliquetis est d'essayer d'optimiser le compromis entre la protection du moteur contre les événements de cliquetis dommageables et la maximisation du couple de sortie du moteur. Les événements de frappe sont un processus aléatoire indépendant. Il est impossible de concevoir des contrôleurs de cliquetis dans une plate-forme déterministe. Une seule simulation d'historique ou une expérience des méthodes de contrôle du cliquetis ne sont pas en mesure de fournir une mesure reproductible des performances du contrôleur en raison de la nature aléatoire des événements de cliquetis arrivant. Par conséquent, le compromis souhaité doit être effectué dans un cadre stochastique qui pourrait fournir un environnement approprié pour concevoir et évaluer les performances de différentes stratégies de contrôle du cliquetis avec des propriétés statistiques rigoureuses.

Les références

Lectures complémentaires

Liens externes