WHY SSP?

POURQUOI SSP ?

Pourquoi SSP ?

Développer des moteurs à allumage commandé toujours plus propres est une nécessité pour répondre aux futures réglementations environnementales automobiles et aux exigences RDE. La combustion en mode fortement dilué au gaz d’échappement (EGR) ou par excès d’air (mélange pauvre) est une des voies essentielles pour y parvenir. Cependant, cette stratégie est limitée ou retardée par la difficulté d’initier la combustion, puis de brûler de manière stable les mélanges dilués aux taux optimum produisant les gains de consommation attendus.

SSP « Stratified Spark Plug » est un système d’allumage à très haute énergie qui fournit un allumage fiable et une combustion stable jusqu’à une dilution de 50%, permettant ainsi des stratégies de haute dilution désirées

Dans le cas de l’EGR, SSP fournit la puissance d’allumage nécessaire à très fort taux de dilution, avec une marge de sécurité en régime transitoire, pour un fonctionnement optimal en termes de consommation de carburant, émission de CO₂ et émissions de NO_x sans risque de mauvaise stabilité de combustion.

En mélange pauvre, SSP permet une combustion jusqu’à λ=2, réduisant ainsi les émissions d’oxydes d’azote (NO_x) et permettant une meilleure consommation de carburant sans avoir recours à des systèmes coûteux d’injection et de post-traitement.

1. Culasse — 2. Injecteur SSP (injecteur principal non visible) — 3. Bougie d’allumage modifiée — 4. Chambre de combustion

Comment fonctionne SSP ?

Le SSP est basé sur une charge pilote stœchiométrique injectée dans la zone d’allumage, permettant un allumage stable et la combustion de charges fortement diluées. Un micro-compresseur comprime un mélange air-carburant homogène stœchiométrique dans une rampe d’injection à une pression et une température adaptées. Quelques degrés de vilebrequin avant l’allumage, un injecteur SSP spécifique logé dans la culasse injecte le mélange comprimé à l’intérieur de la bougie d’allumage au voisinage de l’électrode. Ce mélange injecté forme une petite charge centrée autour de l’électrode de la bougie d’allumage et fournit une petite proportion de la charge totale injectée dans le cylindre. L’étincelle produite entre les électrodes de la bougie conventionnelle allume la charge pilote. Celle-ci étant très inflammable, elle constitue un noyau de flamme robuste, qui garantit l’initiation de la combustion à des taux de dilution pouvant atteindre 50% en EGR ou une valeur de λ (inverse de la richesse) pouvant atteindre 2 en combustion pauvre, Permettant ainsi d’exploiter les taux de dilution optimum en termes d’émission. La combustion de la charge pilote est initiée, puis se propage dans la charge principale, diluée par EGR ou par excès d’air. L’énergie d’allumage libérée par la charge pilote SSP est plus de 500 fois plus forte que celle de la bougie, forçant ainsi la combustion de la charge principale fortement diluée.

Les bénéfices de SSP

Economie de carburant, faible émission de polluants, conformité RDE

Anticipant les futures exigences d’homologation en cycles réels de conduite (RDE), SSP permet une dilution optimale de la charge sur les moteurs à essence «downsizés», entraînant une consommation de carburant et une réduction des émissions de CO₂ et de très faibles émissions de NO_x dans tous les cycles de conduite.

Rentable

Moins de 100 € pour un moteur 4 cylindres.

Adaptable

SSP s’adapte à toutes les architectures de moteur avec peu ou pas d’impact sur les moyens de production. C’est une solution modulaire adaptée aux moteurs à allumage commandé actuels et futurs.

Disponible

SSP peut être utilisé par n’importe quel constructeur dans le monde entier

Les défis de la haute dilution

Dilution EGR

La combustion de charges fortement diluées par EGR dans les moteurs à allumage commandés réduit les pertes thermodynamiques et la sensibilité au cliquetis, permettant ainsi la réduction d’émission de polluants et de CO₂, ainsi que d’augmenter le taux de compression, en particulier sous fortes charges. En conséquence, une dilution EGR élevée est non seulement un moyen efficace de réduire la consommation de carburant des véhicules à essence lorsqu’ils sont soumis aux cycles réglementaires (par exemple WLTC), mais également dans des conditions de conduite réelles (RDE).

Cependant, comme une dilution EGR élevée rend la charge réticente à la combustion, les moteurs à allumage commandé souffrent d’instabilité et de ratés d’allumage au-delà d’une certaine dilution. En outre, les variations du taux d’EGR survenant en régimes transitoires compromettent le bon fonctionnement des moteurs. Cela limite considérablement les taux d’EGR réalisables : alors que les opérations en régime stationnaire sur banc d’essai démontrent des avantages convaincants, la réduction effective des émissions de CO₂ grâce à l’EGR en conditions réelles est beaucoup moins attrayante. Par conséquent, l’EGR, qui est devenu commun sur les moteurs Diesel, n’est pas encore déployé à grande échelle sur les moteurs à allumage commandé. Les principaux inconvénients de l’EGR élevé peuvent être surmontés en rendant l’événement d’allumage par étincelle plus fiable, avec moins de dispersion dans l’initiation de la combustion à un taux d’EGR très élevé (taux d’EGR de 20 à 40%).

Mélange pauvre

La combustion en mélange pauvre (λ>1), est une stratégie efficace pour augmenter le rendement de combustion, réduire la consommation de carburant par dé-papillonnage massif, éliminer les pertes de pompage et réduire les pertes thermiques aux parois de la chambre de combustion. Cependant, la combustion en mélange pauvre est entravée par de sévères difficultés liées à la réticence de la charge à la combustion, entraînant un comportement indésirable ou un dysfonctionnement (retards ou ratés d’allumage, propagation lente ou soufflage de la flamme), ce qui limite en pratique la combustion pauvre à des valeurs de λ inférieures 1,5 (dilution à l’air de 35%).

Malheureusement, une production élevée de d’oxydes d’azotes (NO_x) entre λ=1 and λ=1.5 nécessite l’utilisation d’un post-traitement complexe. De plus, la combustion en mélange pauvre nécessite également l’utilisation d’autres technologies coûteuses, telles que des injecteurs piézoélectriques ou l’EGR externe.

Afin de bénéficier de tous les avantages de la combustion pauvre, il faut viser λ>1,5, idéalement au-dessus de λ=2, afin d’obtenir simultanément une économie de carburant significative, des émissions de NO_x ultra-faibles et la suppression d’un mix technologique coûteux, en évitant par exemple les systèmes de post-traitement complexes des NO_x.

Programmes de développement de SSP

IGNITE (Injected air and Gasoline pilot charge New Ignition Technology), le programme de développement de SSP ,a été lancé en 2016 afin de développer la technologie SSP jusqu’à TRL 6, avec le soutien de plusieurs organismes de recherche et de constructeurs automobiles désireux d’apporter leur soutien à MCE5 sous la forme d’avis d’experts, de données, d’équipements ou de services.

IGNITE a également reçu le soutien financier des institutions françaises suivantes :

ADEME, Agence Française de l’Environnement et de la Maîtrise de l’’Energie
CGI, Commissariat Général à l’Investissement, Investissement d’Avenir