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Le systeme d’injection a rampe commune
Le moteur diesel moderne utilise des systemes d’injection directe a rampe commune. Ces systemes comprennent principalement une pompe haute pression actionnee par le moteur, une rampe commune d’injection ainsi que les injecteurs electroniques a solenoide ou a actionneur piezoelectrique. La pompe mecanique permet de generer des pressions qui varient entre 300 et 2000 bars dependant du point d’operation tandis que l’utilite de la rampe commune est de permettre le maintien d’une pression pratiquement constante durant le fonctionnement moteur en agissant comme un accumulateur (Vaglieco, 2010). L’injecteur electronique permet quant a lui beaucoup plus de flexibilite puisqu’il est possible de controler precisement le calage de l’injection dans le cycle. Comme mentionne precedemment, les nouveaux systemes permettent d’injecter le carburant sous tres haute pression (jusqu’a 2000 bars a l’heure actuelle) ce qui apporte de nombreux avantages.
La haute pression favorise l’atomisation du carburant afin d’obtenir des gouttelettes de plus faibles diametres. Des gouttes plus petites augmentent la vitesse a laquelle le carburant s’evapore et aura donc un effet direct sur le delai d’ignition du carburant. De plus, les nouveaux injecteurs sont equipes de buses possedant plusieurs orifices d’injections creant ainsi plusieurs jets de carburant ce qui favorise l’utilisation de l’air disponible. Globalement, un impact important sur la formation des polluants ainsi que sur le degagement de chaleur du cylindre est observe (Agarwal et al., 2013). L’injection electronique a quant a elle permis une veritable revolution dans le domaine des moteurs diesel en permettant de caler l’injection n’importe quand durant le cycle moteur comme mentionne precedemment, mais egalement en rendant possible l’injection multiple. Ce concept, comme son nom l’indique, consiste a diviser le processus d’injection standard en plusieurs evenements distincts comprenant une certaine fraction de la quantite totale de carburant necessaire et separes par un delai entre chacun de ces evenements. Ultimement, l’objectif de ce concept est de parfaitement controler la formation du melange a l’interieur du cylindre ainsi que le degagement de chaleur associe a la combustion du carburant et par consequent, la production des emissions polluantes.
Le processus de combustion diesel
Traditionnellement, la combustion dans les moteurs diesel conventionnels en injection simple est composee de quatre phases (voir Figure 1.1) (Heywood, 1988). La premiere phase est le delai d’ignition qui est la periode entre le debut de l’injection et le debut de la combustion. Ensuite, la phase de combustion premelangee se produit et est caracterisee par une augmentation importante et tres rapide du taux de degagement de chaleur sur une courte duree. Le carburant evapore durant le delai d’ignition s’enflamme donc et brule de facon tres rapide sur quelques degres vilebrequin (°vil) et contribue a l’augmentation importante du taux de degagement de chaleur. Toutefois, l’injection n’est pas terminee alors que debute la troisieme phase dite de combustion de diffusion qui, elle, est controlee par le taux de melange du carburant injecte avec l’air. Ainsi, le carburant injecte doit s’atomiser, s’evaporer, se melanger avec l’air et subir des transformations chimiques supplementaires avant de bruler. L’intensite de cette phase depend de la quantite de carburant injecte et donc de la charge du moteur (pour l’ensemble de cette these, la charge moteur designe le couple produit par le moteur).
Finalement, la derniere phase correspond quant a elle a la combustion de faible intensite tres tard durant l’expansion. La presence de cette combustion tardive s’explique entre autres par la temperature et la pression plus faible durant cette periode et qui ralentissent les reactions chimiques ainsi que par la combustion d’une faible fraction de carburant encore presente dans le cylindre. La charge developpee par le moteur depend de la quantite de carburant injecte qui est limitee afin d’eviter une production excessive de particules. Ceci fait en sorte que le moteur diesel est toujours opere en melange pauvre en carburant par rapport a la stoechiometrie. Lorsque l’injection multiple est utilisee, le processus de combustion precedent est toujours valable, mais sera divise en plusieurs evenements qui auront des intensites et durees variables selon le type de strategie utilisee. La Figure 1.2 montre l’impact de differentes strategies d’injection sur le taux de degagement de chaleur. La Figure 1.2 (haut) illustre le taux de degagement de chaleur d’une strategie d’injection simple conventionnelle, comme presentee a la Figure 1.1. La phase premelangee et la phase de diffusion sont observables et l’intensite de la phase de diffusion varie selon la charge du moteur. Les deux autres graphiques illustrent l’impact d’une strategie d’injection double (bas a gauche) et triple (bas a droite) sur le taux de degagement de chaleur et permettent de remarquer que, selon la strategie, l’intensite de la phase premelangee peut etre modifiee et la phase de diffusion peut egalement disparaitre. Ceci aura inevitablement un impact sur la formation des emissions polluantes.
Les particules Les particules emises (PM) par les moteurs a combustion interne sont un melange complexe de composantes solides et liquides qui comprennent de la suie, de la cendre, de l’eau, des hydrocarbures et des fractions organiques solubles (Rahman et al., 2014). Dans un moteur diesel, les PM sont principalement de la suie sur laquelle des composes organiques ont ete absorbes. Elles peuvent etre caracterisees selon leur forme, leur surface, leur grosseur, leur nombre, leur masse, leur composition chimique, leur solubilite et leur source (Burtscher, 2005; Forti et al., 2005; Rahman et al., 2014). La quantite de PM emise par un moteur diesel est le resultat d’un phenomene complexe jumelant le processus de formation a celui d’oxydation. Le processus de formation elementaire des PM se fait principalement en trois etapes dans le cylindre, soit la nucleation, le grossissement et l’agglomeration, et une absorption/condensation supplementaire peut se produire dans l’echappement par la suite.
Le phenomene d’oxydation des PM peut se produire a tout moment durant ce processus de formation (Heywood, 1988). Lors de la phase de combustion premelangee, des hydrocarbures aromatiques polycycliques (PAH) sont formes par le manque d’oxygene et la presence d’un environnement riche en carburant et leur formation est maximisee pour des temperatures se situant entre 1300K et 1600K (Turns, 2000). Les PAH sont reconnus comme etant des precurseurs a la formation des PM. Ensuite, lors de la combustion controlee par le taux de melange, le carburant est d’abord oxyde partiellement dans une zone de reaction premelangee riche en carburant avant de bruler completement dans la flamme de diffusion sous un environnement pres de la stoechiometrie. Les produits de combustion partiels provenant de la combustion premelangee riche en carburant contribuent a la formation des PM. Les PM ainsi produites sont ensuite pratiquement toutes oxydees durant la phase de combustion tardive, mais une fraction ne parvient pas a s’oxyder et se retrouve dans l’echappement (Mohan, Yang et Chou, 2013). Le mode de formation et de destruction du NOx et des PM entraine un phenomene d’echange entre ces deux polluants qui rend leur diminution simultanee tres compliquee. En effet, la haute temperature (superieure a 1600 K) presente dans le cylindre facilite l’oxydation des precurseurs des PM, mais entraine inevitablement une augmentation de la formation des NOx. Inversement, une faible temperature reduit la quantite de NOx produit, mais cause une augmentation des PM en echappement par la diminution de leur oxydation.
Le monoxyde de carbone et les hydrocarbures non brules Le CO est le resultat d’une combustion incomplete des hydrocarbures et la quantite emise est principalement controlee par la richesse du melange. Dans les melanges riches en carburant, la quantite de CO produite augmente continuellement avec l’augmentation de la quantite de carburant tandis qu’en melange pauvre elle est tres peu influencee par l’appauvrissement du melange. Par consequent, en moteur diesel, les emissions de CO sont tres faibles et sont rarement considerees (Heywood, 1988). Neanmoins, la quantite de CO en moteur diesel peut etre augmentee lorsque la temperature est insuffisante (inferieure a 1500 K) pour soutenir les reactions d’oxydation du CO ou lorsqu’il y a extinction de flamme (Rahman et al., 2014).
Les HC sont quant a eux obtenus lorsqu’une partie de carburant est expulsee par l’echappement sans avoir ete completement oxydee. En combustion diesel, la formation des HC provient principalement de deux phenomenes distincts. Premierement, un appauvrissement excessif du melange peut empecher son auto-inflammation ou etre trop pauvre en carburant pour supporter la propagation d’une flamme. Ceci se produit lorsque le delai d’ignition est trop important alors que la quantite de HC produit dependra de la quantite de carburant injecte durant le delai d’ignition. Il s’agit du mecanisme de production des HC le plus important en moteur diesel, particulierement a faible charge (Rahman et al., 2014). Le second phenomene causant la formation des HC est un melange insuffisant entre le carburant et l’air causant un melange trop riche incapable de s’enflammer ou de supporter la flamme. Ce mecanisme de formation est associe a l’injection a basse velocite du carburant tard durant la combustion ou a une injection trop importante de carburant particulierement a tres forte charge. Les zones trop riches en carburant peuvent bruler par une oxydation thermique lente durant l’expansion apres s’etre melangees avec l’air (Heywood, 1988).
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Table des matières
INTRODUCTION
CHAPITRE 1 REVUE DE LA LITTERATURE
1.1 Notions fondamentales sur les moteurs diesel a rampe commune d’injection
1.1.1 Le systeme d’injection a rampe commune
1.1.2 Le processus de combustion diesel
1.2 Les polluants en moteur diesel
1.2.1 Les oxydes d’azote
1.2.2 Les particules
1.2.3 Le monoxyde de carbone et les hydrocarbures non brules
1.3 L’injection multiple
1.3.1 L’injection pilote
1.3.2 La postinjection
1.3.3 L’injection triple
1.4 Utilisation du biodiesel comme carburant alternatif
1.4.1 Description du biodiesel
1.4.2 Effet du biodiesel sur les performances et les emissions polluantes en situation d’injection simple
1.4.3 Le biodiesel et les strategies d’injection multiple
1.5 Impact de l’injection multiple et du biodiesel sur le processus d’injection
1.6 Outils d’analyses, de controles et de predictions du phenomene d’injection
1.7 Problematique
1.8 Objectifs de recherche
CHAPITRE 2 METHODOLOGIE EXPERIMENTALE D’EVALUATION DES IMPACTS DE L’INJECTION MULTIPLE SUR LES EMISSIONS POLLUANTES ET LES PERFORMANCES
2.1 Moteur et systeme de controle
2.2 Mesures des emissions polluantes
2.2.1 Analyse des polluants gazeux
2.2.2 Analyse des particules
2.3 Performances et combustion
2.3.1 Consommation de carburant
2.3.2 Parametres de performances
2.3.3 Pression cylindre
2.3.4 Degagement de chaleur
2.3.5 Delai d’ignition
2.3.6 Pression dans le tube d’injection
2.4 Carburants et demarche experimentale
2.5 Incertitudes des mesures experimentales
2.5.1 Incertitudes sur les emissions polluantes
2.5.2 Incertitude sur la consommation de carburant
2.5.3 Incertitude sur la pression cylindre
2.5.4 Incertitude sur le degagement de chaleur
2.5.5 Incertitude sur le delai d’ignition
2.5.6 Controle des parametres moteurs
2.6 Synthese du chapitre
CHAPITRE 3 IMPACT DE L’INJECTION MULTIPLE SUR LES EMISSIONS POLLUANTES ET SUR LE COMPORTEMENT THERMODYNAMIQUE
3.1 Injection simple
3.2 Injection double : injection principale fixe
3.3 Injection double : injection principale variable
3.4 L’injection triple
3.4.1 La postinjection
3.4.2 La preinjection
3.5 Utilisation d’un melange biodiesel/diesel
3.5.1 Injection simple
3.5.2 Injection double
3.6 Synthese du chapitre
CHAPITRE 4 MODELE MATHEMATIQUE DE SIMULATION DU TAUX D’INTRODUCTION
4.1 Description de l’injecteur
4.2 Developpement mathematique du modele
4.2.1 Ecoulement en orifice
4.2.2 Proprietes physiques
4.2.3 Sous-systemes hydrauliques
4.2.4 Sous-systemes mecaniques
4.2.5 Systeme d’equations final
4.3 Synthese du chapitre
CHAPITRE 5 VALIDATION EXPERIMENTALE ET ANALYSE DU MODELE D’INJECTION
5.1 Description du montage experimental
5.2 Identification des carburants, des strategies et des conditions d’operations
5.3 Analyse experimentale
5.3.1 La vitesse du son
5.3.2 Les caracteristiques de l’injection
5.3.3 Le coefficient de decharge
5.3.4 Incertitude des mesures experimentales
5.4 Validation du modele
5.4.1 Methode d’integration et influence du pas de temps
5.4.2 Validation du modele pour une injection simple
5.4.3 Effets des melanges de biodiesel sur le taux d’introduction
5.4.4 Validation du modele en injection double
5.5 Effet de la pression d’alimentation modelisee et reelle
5.6 Influence de la variation des proprietes et du coefficient de decharge
5.7 Application du modele en situation de tests moteurs
5.7.1 Application du modele avec l’injection multiple
5.7.2 Application du modele avec du biodiesel
5.8 Synthese du chapitre
CONCLUSION
RECOMMANDATIONS
ANNEXE I CALCUL DE L’INCERTITUDE DES POLLUANTS GAZEUX
ANNEXE II DIMENSIONS PHYSIQUES DE L’INJECTEUR BOSCH CRI 3.3
ANNEXE III MODELE MATLAB DE SIMULATION D’INJECTION
LISTE DE REFERENCES BIBLIOGRAPHIQUES
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