Combustion - Phénomène de cliquetis - Allumage par bougie

1. Généralités

Le cliquetis est un phénomène crucial que le motoriste doit maîtriser obligatoirement.
Après l'allumage par l'étincelle, le front de flamme se déplace comprimant les gaz frais contre les parois. Certaines zones de la chambre atteignent des pressions et des températures très élevées et sont donc susceptibles d'être des sites d'auto-allumage.Ce phénomène est destructeur, surtout à haut régime moteur, et doit être évité par la conception du moteur (limitation du taux de compression et de l'avance à l'allumage) et par le choix d'un carburant ayant un indice d'octane suffisant.
Certains de ces sites s'allument effectivement provoquant une brusque augmentation de pression qui entraînent des ondes de pressions très vives de l'ordre de 5 à 10kHz.

2. Causes

2.1. Avance à l'allumage
Trop d'avance à l'allumage. C'est le cas le plus courant. L'étincelle se produit trop tôt, la propagation du front de flamme est plus lente car la densité du combustible est insuffisante. La fraction non brûlée comprimée contre les parois atteint alors son seuil d'auto inflammation avant d'être rejointe par le front de flamme. En général, le moteur atteint son meilleur rendement quand l'avance à l'allumage est calée pour chaque point (position papillon / pression admission, régime moteur) juste avant le seuil de cliquetis. Cela a pour effet de produire une pression maximale sur la tête de piston quand celui ci a parcouru quelques degrés après le PMH (entre 10 et 20 degrés vilebrequin selon les moteurs), ce qui représente le meilleur compromis. Néanmoins, jouer avec la limite rend le moteur très sensible aux variations.

2.2. Taux d'octane
Le taux d'octane du combustible conditionne directement son seuil de détonation spontanée. Plus le taux d'octane est élevé et plus la température d'auto inflammation l'est aussi. On peut donc avoir un moteur qui fonctionne parfaitement au SP98, mais qui cliquettera au SP95. Pour un moteur tournant au Super plombé, que l'on compte utiliser avec du SP95 (+additif pour recréer la protection des sièges de soupape), il est fortement conseillé d'enlever entre 3 et 5° d'avance.
Néanmoins le pouvoir calorifique reste sensiblement le même entre du SP95 et SP98. En quelque sorte, un moteur tournant au SP95 ne produira pas plus de puissance avec du SP98. On peut modifier la sensibilité d'un combustible à l'auto-allumage en ajoutant des additifs, ou en mélangeant des combustibles différents.

2.3. Température du mélange à l'admission
Plus la température du mélange est importante à l'admission, plus la température d'auto-inflammation sera atteinte rapidement.
Pour les moteurs Turbo, le cas devient très sensible, l'échauffement de l'air étant très important. C'est pour cette raison que la pression de suralimentation est limitée.

2.4. Le rapport volumétrique
Plus il est important plus la température finale avant l'explosion sera élevée. On considère que pour élever d'une unité le rapport volumétrique, il sera nécessaire d'utiliser un combustible possédant un taux d'octane de 3 à 6 points supérieurs. Un point a considérer également est que la température finale du combustible avant allumage est en rapport avec le temps réel pour le comprimer. Plus le mélange est comprimé rapidement, plus sa température finale sera élevée. Un moteur fonctionnant à haut régime peut être victime d'auto-allumage à partir d'un certain régime mais pas en dessous.

2.5. Points chauds, mauvais système de refroidissement
Tous les points pouvant amener une température finale de la charge trop élevée peuvent être en cause :
- bougies trop chaudes
- mauvais refroidissement moteur (radiateur entartré, culasse entartrée?)
- mauvaise ventilation
On peut également avoir du cliquetis sur des moteurs encrassés. Les aspérités s'échauffent et peuvent créer des points chauds en favorisant leur apparition.

2.6. Richesse du mélange
L'utilisation d'un mélange pauvre conduit à des températures de fonctionnement plus élevées, des temps de combustion plus longs, favorisant l'auto allumage. Ce phénomène est amplifié sur les moteurs turbo. C'est pour cette raison que l'on préférera un mélange riche pour les moteurs de compétition. L'excédent de combustible sert à refroidir les parois des cylindres et le sommet des pistons. L'économie et la pollution ne rentrant plus en ligne de compte pour ces applications.

3. Allumage par bougie

L'énergie dégagée par l'étincelle de la bougie doit être capable d'enflammer le carburant quelle que soit la charge. Ceci dit, il existe un rayon critique pour la goutte de carburant en dessous duquel celle-ci ne peut pas s'enflammer. Pour que l’on progression de cette onde et ainsi combustion du mélange, il faut que le taux d’accroissement du volume de la flamme soit inférieur à celui des gaz brûlés, ce qui ce traduit par le fait que les gaz frais ont le temps de se porter aux conditions (température notamment) nécessaires à la réaction de combustion.

Le taux de croissance du volume de gaz brûlés est :

Pour la flamme sphérique de rayon r et d’épaisseur δL :

On peut en déduire un rayon critique :

Le rayon de la flamme sphérique étant déterminé par l’énergie apportée par la bougie, on peut calculer l’énergie nécessaire, que doit fournir la bougie, pour enflammer un volume de mélange de rayon rc.
L'épaisseur de flamme est égale au quotient du coeffcient de diffusion D₁ et de la vitesse de flamme S_l. Or D₁ est proportionnel au rapport de T₂ et P. On cherche donc le coeffcient de diffusion à la fin de la compression soit au point C sur le diagramme du Cycle.
Ainsi, pour la pression atmosphérique, D₁ = 1,5.10^-6 , alors que tout calcule fait, on trouve D₁ = 0,310^-5. Pour le calcul de la vitesse de flamme laminaire, on utilise une loi empirique :

Toujours au point C, on trouve donc une valeur de 2,2 m/s, ce qui donne une épaisseur de flamme de l'ordre de 1,3 microns, donc le diamètre minimal de goutte ne doit pas être inférieur à 5,2 microns.
L'énergie nécessaire pour enflammer une telle goutte se calcule comme suit :

avec T = 1470°C, on trouve que l'énergie minimale vaut 0,3 mJ.