Combustion anormale dans les moteurs

Le retour des flammes a été un obstacle important au développement des moteurs à hydrogène. La plupart, sinon la totalité, de la littérature mentionne que le retour des flammes se produit seulement quand le mélange combustible est présent dans la tubulure d'admission (formation externe du mélange gazeux). Les causes du retour des flammes sont les suivants:

• Les points chauds dans la chambre de combustion: dépôts et particules [1, 2], bougies d’allumage [3, 4], gaz résiduels [5, 4, 6], soupapes d’échappement [6, 7, 9], etc. Ces points chauds provoquent facilement le retour des flammes à cause de la basse énergie d’inflammation de l’hydrogène, qui est beaucoup plus inférieure à celle des hydrocarbures, et à cause des larges limites d’inflammabilité. Les Dépôts et les particules sont issus de la combustion partielle de l’huile de graissage et/ou la formation de la rouille.

• L’énergie résiduelle dans le circuit d’allumage: due à la basse concentration des ions de la flamme hydrogène/air par rapport à la flamme Hydrocarbure/air. Il est possible que l'énergie d'allumage ne soit pas complètement libérée dans la flamme et reste dans le circuit d'allumage du cylindre jusqu'à ce que les conditions soient telles qu’à un moment précis, indésirable, l'allumage puisse se produire, notamment lors de l'expansion ou lors du cycle d'admission, lorsque la pression est faible [4, 10].

• Induction dans le câble d'allumage: pour les moteurs à cylindres multiples, l'allumage (contrôlée) dans un cylindre peut provoquer une inflammation induite dans un autre cylindre lorsque les câbles d'allumage individuels sont placés l’un près de l'autre [2].

• La combustion dans le cordon du piston se maintient jusqu'au moment de l’ouverture de la soupape d'admission et l'allumage de la charge fraîche [4, 11, 12, 13]. Ceci est causé par la distance d’extinction d’hydrogène qui est plus petite que celle des hydrocarbures, ce qui permet à la flamme d’hydrogène de se propager dans le cordon.

• Le pré-allumage résulte d’une inflammation puis d’une combustion plus au moins complète de la charge avant l’allumage par étincelle. Il est souvent rencontré dans les moteurs à hydrogène en raison de la faible énergie d'allumage et des larges limites d'inflammabilité de l'hydrogène. Comme la combustion prématurée provoque l’inflammation du mélange principalement pendant la course de compression, la température dans la chambre de combustion augmente, ce qui contribue à l’apparition des points chauds qui conduisent à leur tour au préallumage, qui en augmentant la température, entraîne au plus tard, le pré-allumage lors du cycle suivant. Le pré-allumage se poursuit jusqu'à ce qu'il se produise pendant la course d'admission et cause ainsi le retour des flammes [14, 12, 16]. Le mécanisme est appelé un emballement de pré-allumage et peut aussi résulter d'un cycle de cognement, ce qui augmente la température de la chambre de combustion et crée un point chaud [2].

La faible énergie d'inflammation est souvent trop facilement identifiée comme étant la principale cause du retour des flammes. L'énergie d'allumage est définie par l'énergie d'allumage minimal nécessaire pour allumer le mélange [17], alors que l’inflammation par les masses thermiques telles que les soupapes et les gaz résiduels est plus liée à la température d'auto-allumage du mélange, la température à laquelle le mélange va s'enflammer spontanément. Comme les moteurs à allumage par compression à hydrogène nécessitent des taux de compression très élevés afin d'assurer l'auto-inflammation [15], il est hautement improbable que, par exemple les gaz résiduels pourraient initier l'auto-allumage. En outre, cela ne peut pas expliquer l’apparition du retour des flammes aux conditions de mélange pauvre (basse température). En outre, les dépôts et les particules sont fréquemment cités, bien que (en supposant un moteur en bonnes conditions) les concentrations de celles-ci sont extrêmement faibles pour les moteurs à hydrogène. La «poussière inerte dans l'air» a même été citée [5].

Malgré que des tests ont été menés [4,12] sur des moteurs où tous les points chauds ont été éliminés (nettoyage soigneux du moteur, contrôle de l’huile ou même opération non lubrifiée, balayage des gaz résiduels, bougies froides, soupapes d'échappement refroidies...), et en évitant tout allumage incontrôlé par étincelle; le retour des flammes a eu lieu. On suppose que la distance d’extinction de l'hydrogène (avec les larges limites d'inflammabilité), permettant une combustion dans le cordon du piston, est un paramètre qui a été négligé par beaucoup d’auteurs. Des moteurs à hydrogène ont été conçus, fonctionnant avec des mélanges stoechiométriques, sans le moindre retour de flamme, grâce à une sélection rigoureuse des segments de piston et des volumes caverneux, sans recours à l'injection synchronisée ou aux soupapes d'échappement refroidies [11].

Les auteurs qui ont prêté une attention particulière au refroidissement accrue, au "contrôle amélioré de l’huile" par le montage de différents segments, par une augmentation du balayage des gaz, etc., attribuent le fonctionnement sans retour de flammes qui en résulte, à la réduction des points chauds, mais ont en même temps (parfois peut-être sans s'en rendre compte), aux mesures prises pour supprimer la combustion anormale.

Certains auteurs mentionnent qu’une diminution du taux de compression par l'abaissement de la température de la chambre de combustion pourrait augmenter la résistance au retour des flammes [9, 18]; d’autres disent que l'augmentation du taux de compression est conseillée, afin d’augmenter la surface de la chambre de combustion par rapport au volume, ce qui améliore le transfert de chaleur et le refroidissement des gaz résiduaires [5, 19]. Un taux de compression élevé permet également de réduire la quantité de résidus. Les deux suggestions sont valides et indiquent l'existence d'un taux de compression optimal: son augmentation aura comme conséquence l’augmentation de la puissance grâce à un rendement effectif élevé jusqu'à un certain point, où le mélange doit être allégé afin d'éviter le pré- allumage et la chute de la puissance [6, 20].

Le phénomène du cliquetis (ou encore cognements) dans les moteurs à hydrogène, qui est une combustion anormale entraînant une résonance de l'explosion sur les parois de la chambre de combustion et du piston, a été mal étudié. Pour ce est qui du retour des flammes, certaines causes ont été mélangées ou leurs effets surestimés, mais en ce qui concerne le cliquetis, il y avait des revendications totalement contradictoires dans la littérature.

Pour commencer, la plupart des articles ne mentionnent pas que la résistance au cliquetis est une propriété du mélange carburant / air, c’est à dire, en précisant les indices d'octane sans définir la richesse du mélange correspondante. Certains prétendent que l'indice d'octane est très faible [21, 22], d'autres affirment qu'il est très élevé [14, 5].

Un auteur d’un article est même allé dire qu’à la fois «l'hydrogène a un indice d'octane élevé effectif» et «l'indice d'octane effectif d'hydrogène est plutôt faible» [23]. Seuls de très rares documents mentionnent les indices d'octane en fonction de la richesse [19, 24]. Des tests ont rapporté que l'hydrogène peut agir comme un agent anti-cliquetis lorsqu'il est ajouté à un isooctane sans plomb [5].

Il existe certaines preuves que les causes du cliquetis des moteurs à hydrogène pourraient être différentes de celles des moteurs à essence, ou le cliquetis est dû essentiellement aux vitesses de flamme excessives [5]. Ainsi, la réduction de la vitesse de

montée en pression peut être plus efficace pour contrôler les cliquetis que la limitation de la durée de combustion [8].

Il est à noter que le travail expérimental et théorique de Karim et al. [22, 26] fait état de très grandes zones de cliquetis, où des mélanges stoechiométriques ont tendance à détonner, même à des taux de compression aussi faibles que 6:1. Comme ces résultats sont en désaccord avec toutes les autres expériences rapportées dans la littérature, il semble qu’ils sont probablement affectés par des causes inconnues aux auteurs.

L’examen de la littérature liée aux études expérimentales sur les moteurs à allumage à hydrogène montre que le pré-allumage pour certains auteurs est un facteur limitant pour les taux de compression, le moment d’allumage et les richesses du mélange, plutôt que le cliquetis. Les mesures réalisées avec un taux de compression de 11:1 et une pression de suralimentation de 0.85 bar (manométrique) sur des mélanges stoechiométriques ont été rapportés [6], ainsi que des mesures sur des mélanges pauvres en utilisant des taux de compression de 14:1 et plus [14, 25], le tout sans aucune apparence de cliquetis.