Soutenance mémoire
Les moteurs à combustion interne
La machine à vapeur alternative a été le premier moteur thermique appliqué. Créée sur des bases remontant à Denis Papin (1679), elle a été développée progressivement au cours du 18e siècle (Thomas Newcomen 1712, James Watt 1784) et a rendu possible la première phase d’industrialisation au cours du 19e siècle. La création de la turbine à vapeur se situe vers la fin du 19e siècle (Charles Parsons 1884 pour la turbine à réaction, Auguste Rateau 1901 pour la turbine multicellulaire à action). La première réalisation d’un moteur à explosion est due à Étienne Lenoir (Moteur à gaz sans compression préalable 1860). L’invention des principes du moteur à explosion, tel qu’il existe aujourd’hui, peut être attribuée à Beau de Rochas (1862) et la première réalisation à Nikolaus Otto (1876) ; celle du diesel revient évidemment à Rudolf Diesel (1892). Les premières réalisations, essentiellement orientées vers la propulsion automobile, s’inspirent largement de la machine à vapeur (dimensionnement, mécanismes de distribution) telle que celle de Delamare-Deboutte ville (1883) ; les réalisations ultérieures s’en sont distinguées assez rapidement. Les applications préindustrielles automobiles se sont concrétisées dans la dernière décade du 19e siècle (précurseurs G. Daimler, C. Benz, W. Maybach ; en France R. Panhard et E. Levassor). Le seul moteur rotatif ayant atteint le stade de développement industriel a été conçu par Félix Wankel (1929) et a été mis au point avec l’aide du constructeur automobile NSU au cours des années 1960. La turbine à gaz, dont certains auteurs font remonter le principe à l’antiquité, doit attendre le début du 20e siècle pour voir éclore ses premières réalisations (Armangeaud et Le Male). La Seconde Guerre mondiale a accéléré le développement des propulseurs aéronautiques à réaction utilisant la turbine à gaz.
Histoire du moteur diesel : Saviez-vous que le mérite du développement du moteur diesel revient à un ingénieur du nom de Rudolf Diesel, qui en 1897, mit au point un moteur à combustion interne dans lequel était utilisée la chaleur due à la compression de l’air pour provoquer l’allumage du combustible. Ce premier moteur diesel est un monocylindre stationnaire et pèse près de 5 tonnes. Il développe 20 chevaux-vapeur et tourne à 172 tours minute (RPM). À ses débuts, plusieurs difficultés techniques liées à la faible résistance des métaux disponibles, au poids, à l’encombrement et la piètre réputation du carburant, ont nui au développement du diesel. En 1910, on installe un premier moteur de ce type sur un petit navire hollandais. Ce n’est que dans les années 1920 que l’on verra apparaître les premiers moteurs diesel sur les camions. Les constructeurs découvrant les avantages de ce dernier sur le moteur à essence, c’est à dire ;
Le rendement élevé,
Carburant moins coûteux,
Plus grande robustesse.
En Amérique du Nord, les premiers diesels furent utilisés sur des machines, tracteurs, génératrices. En 1925, l’union des deux manufacturiers de machines agricoles (The Holt Manufacturing Company and The C.L. Best Tractor Company) a donné naissance à Caterpillar. En 1928, les ingénieurs de la compagnie discutèrent de la possibilité d’équiper un tracteur avec un moteur diesel. Les moteurs disponibles à l’époque ne convenant pas, ils décidèrent alors de construire leur propre moteur diesel. En octobre 1931, Caterpillar introduit le D9900 qui produisit 89 HP à 750 RPM et pesant 2352 kg. Selon les prédictions, il allait révolutionner l’industrie. À cette époque, certains propriétaires de camion qui recherchaient davantage de puissance, d’économie et fiabilité remplaçaient le moteur à essence par un diesel Caterpillar, emprunté d’un tracteur ou acheté à part. C’est en 1939 que Caterpillar introduisit le premier moteur diesel de camion avec le D468. Le six cylindres développait 90 HP à 1850 RPM et était vendu avec la transmission. Un autre fabricant majeur a vu le jour à peu près à la même époque; La Cummins Engine Company fut créée le 3 février 1919. Jessie Cyle Cummins, un mécanicien inventeur autodidacte, était convaincu que l’idée de Rudolf Diesel était promise à un bel avenir. Le premier moteur diesel construit par Cummins développait 6HP et était utilisé comme moteur stationnaire par les agriculteurs.
En 1929, Jessie Cummins, dans sa détermination de populariser le moteur diesel, construisit un camion équipé d’un moteur diesel qui parcourut les États-Unis pour la modique somme de 11,22$ de carburant. En 1931, un véhicule équipé d’un moteur Cummins diesel établira un record d’endurance sur le circuit d’Indianapolis; 13 535 milles. Impressionnés par l’économie et l’endurance de ce prototype, un petit nombre de camionneurs et propriétaires de flottes commencèrent à remotoriser leurs véhicules avec des moteurs Cummins. Un autre manufacturier majeur verra le jour en 1938, la Compagnie General Motors crée la division GM Diesel. Le second conflit mondial suscite une forte demande pour des moteurs de génératrices, équipements d’aérodromes, de construction de routes, etc. Les ingénieurs proposent un moteur à cycle “2temps” et polyvalent. Après la guerre, GM développe le marché du camion. En 1957, GM introduit les séries 53 et 71. En 1988 fut introduite la série 60, un nouveau moteur diesel à quatre temps qui est le premier moteur diesel lourd à offrir le contrôle électronique de série. En 1938, Mack deviendra le premier fabricant de camions nord-américains à concevoir et construire ses propres moteurs diesel.
Injection indirecte : En effet, ce qui arrive par la soupape d’admission dans un diesel ne se limite qu’à de l’air, alors que dans une essence c’est un mélange air/carburant. En conséquence, le mélange se fait dans une petite chambre à part qui est connectée au cylindre via un conduit, et non pas dans un autre endroit situé ailleurs (dans le circuit d’admission dans le cas d’une essence). Le mélange sera effectué encore une fois grâce aux « courants d’air » générés par les va et vient du cycle 4 temps (mais aussi par la conception aérodynamique précise de l’intérieur du moteur, qui permet alors les turbulences nécessaires au mélanges air/carburant). Notez que les bougies de préchauffage sont plus importantes pour une injection indirecte que directe. En effet, un moteur à injection directe démarrera très bien sans elles s’il ne fait pas trop froid évidemment. Une petite chambre connectée au cylindre permet à la fois d’injecter le carburant mais aussi de le mélanger à l’air de l’admission grâce à une forme spécifique en terme d’aérodynamisme. L’air circulant dans la sphère au moment de la compression (quand le piston remonte en « écrasant » l’air) provoque un tourbillon qui brasse le tout : ce qui permet d’avoir un mélange uniforme et donc plus avantageux pour la combustion (ce qui améliore le rendement).Figure (1.16)
Formation des polluants :
Les habitants de la planète et les générations futures doivent réduire autant que possible les atteintes à l’environnement et les coûts économiques liés à la production/consommation d’énergie. Aujourd’hui, le pétrole constitue encore la seule source d’énergie quasi exclusive pour le secteur des transports, contribuant en moitié à la consommation des ressources pétrolières mondiales [9]. Selon l’IFP (l’Institut français de pétrole) les réserves mondiales en pétrole sont en diminution, le maximum de la production étant situé selon les experts entre 2010 et 2030 [10], il y a donc nécessité de trouver des technologies permettant de réduire au maximum la pollution atmosphérique due aux transports routiers et la quantité de carburant consommée. La réaction globale de combustion se décrit sous la forme d’une équation chimique tient compte de la composition initiale du mélange de réactifs.
Le processus de réaction intervenir une succession d’un nombre très élevé de réactions élémentaires enchaine dont chacune ne me en jeu que deux ou au maximum trois espèces qui sont soit des molécules stables, soit plus généralement des radiaux libres. Les polluants majeurs émis lors de la combustion Diesel sont : le Monoxyde de Carbone( ), lesHydrocarbures( ) imbrulés, les Oxydes d’Azote ( ), les Hydrocarbures Aromatiques Polycycliques( ), et les Particules de suies. Certains produits de combustion peuvent présenter un danger plus ou moins prononcé. Ainsi, les oxydes de carbone et d’azote sont toxiques, certains hydrocarbures (imbrûlés ou transformés lors des processus de combustion) semblent être classés parmi les substances cancérigènes. Les suies et les fumées sont également indésirables du point de vue de la pollution de l’air. Rentre également dans la rubrique de pollution, les effets nocifs de certains bruits qui accompagnent la combustion dans ces applications. Le tableau (1.6) illustre les propriétés nuisibles des principaux gaz polluants.
|
Table des matières
Introduction générale
Chapitre 1 : Les moteurs à combustion interne
1.1 Introduction
1.2 Histoire du moteur diesel
1.3 Définition d’un Moteur à Combustion Interne
1.4 Architecture d’un moteur à combustion interne
1.4.1 Organes fixes
1.4.1.1 Bloc –moteur
1.4.1.2 Culasse
1.4.1.3 Carter
1.4.1.4 Cache culbuteur
1.4.2 Organes mobiles
1.4.2.1 Piston
1.4.2.2 Bielle
1.4.2.3 Vilebrequin
1.4.2.4 Arbre à came
1.4.2.5 Soupapes
1.4.2.6 Volent moteur
1.4.2.7 Courroie de distribution
1.4.2.8 Injecteurs
1.4 Classifications des moteurs à combustion interne
1.5.1 Selon le type d’allumage
1.5.2 Selon le nombre de temps (nombre de tours pour faire un cycle complet
1.5.2.1 4 temps (2 tours/cycle
1.5.2.2 2 temps (1 tour/cycle
1.5.3 Selon le type d’injection
1.5.3.1 Injection directe
1.5.3.2 Injection indirecte
1.6 Principe de fonctionnement du moteur diesel
1.6.1 Diagramme indiqué
1.6.2 Comparaison entre moteur Diesel et Essence
1.6.2.1 Fonctionnement
1.6.2.2 Combustible
1.6.2.3 Rendement
1.7 La formation des polluants
1.7.1 Monoxyde de carbone(
1.7.2 Oxydes d’azote ( )
1.7.3 Hydrocarbures imbrûlés (
1.7.4 Hydrocarbures Aromatiques Polycycliques (
1.7.5 Particules de suies
1.8 Méthodes de réduction des polluants
1.8.1 Amélioration de la combustion dans les moteurs
1.8.1.1 Réduction de cylindre (downsizing
1.8.1.2 Turbo Compresseur
1.8.1.3 Système d’injection
1.8.1.4 Recirculation des gaz d’échappement « EGR
1.8.1.5 Refroidissement de l’air admis
1.8.2 Systèmes de post-traitement
1.8.2.1 Filtres à particules
1.8.2.2 Catalyseurs
1.8.3 Reformulation des carburants : (Les carburants alternatifs
1.9 Conclusion
Chapitre 2 : Les carburants
2.1 Définition du Carburant
2.2 Différents types de carburants
2.2.1 Carburants solide
2.2.2 Carburants liquides
2.2.3 Carburants gazeux
2.3 Caractéristiques d’un carburant
2.3.1 Pouvoir calorifique
2.3.1.1 Pouvoir Calorifique Supérieur (PCS
2.3.1.2 Pouvoir calorifique inférieur (PCI
2.3.2 Masse volumique
2.3.3 Densité
2.3.4 Point éclair
2.3.5 Température d’auto inflammation
2.3.6 Pression vapeur
2.3.7 Densité vapeur
2.3.8 Viscosité
2.4 Indice d’octane
2.5 Indice de cétane
2.6 Propriétés des quelques carburants
2.7 Circuit d’alimentation par carburant
2.7.1 Gazole
2.7.2 Essence
2.8 Recherche bibliographique sur la combustion des carburants
2.8.1 Carburant domestique
2.8.2 Biocarburant
2.8.2.1 Huiles végétales
2.8.2.2 Éthanol et le bioéthanol
2.9 Conclusion
Chapitre 3 : Formulation mathématique
3.1 Introduction
3.2 Equations de l’aérothermochimie turbulente
3.3 Approche de résolution RANS
3.4 Sous mod les physiques
3.4.1 Mod le de Turbulence
3.4.1.1 Modèle de Turbulence k-ε
3.4.1.2 Modèle de Turbulence RNG k-ε
3.4.2 Modélisation du spray
3.4.2.1 Formulation Mathématique
3.4.2.2 Mod les d’atomisation
3.4.2.3 Collision
3.4.2.4 Evaporation
3.4.2.5 Accélération de la gouttelette
3.4.2.6 Interaction Jet- Gaz
3.4.3 Mod le de dégagement de chaleur
3.4.4 Mod le de transfert thermique (Loi de paroi
3.5 Mod les chimiques
3.5.1 Modélisation de la combustion turbulente
3.5.1.1 Aperçu sur les Mod les de combustion turbulente
3.5.2 Mod le d’Allumage
3.5.3 Modèle de formations des polluants
3.5.3.1 Modèle de formation de NOx
3.5.3.2 Mod le de formation des suies
3.6 Conclusion
Chapitre 4 : Résultats et discussions
4.1 Introduction
4.2 Description du code CFD ‘CONVERGE’
4.2.1 Structure standard de Converge V1.3
4.2.2 Algorithme de calcule de CONVERGE V1.3
4.2.3 Techniques de maillage
4.2.4 Etapes de résolution du probl me
4.3 Spécification du moteur
4.3.1 Spécifique géométrique
4.4 Propriétés physico-chimiques des carburants utilisés
4.5 Maillage
4.6 Conditions initiales et aux limites
4.6.1 Conditions initiales
4.6.2 Conditions aux limites
4.6.3 Choix des modèles de simulation
4.7 Discussion des résultats de simulation
4.7.1 Calage
4.7.2 Pression moyenne
4.7.3 Taux de dégagement de chaleur
4.7.4 Température moyenne du cycle
4.7.5 Formation des gaz polluants
4.7.5.1 Oxyde d’azote
4.7.5.2 Particules de suies
4.7.5.3 Hydrocarbures
4.7.5.4 Monoxyde de carbone
4.8 Contours
4.8.1 Contours de la masse du carburant injecté
4.8.2 Contours de température
4.8.3 Contours de la masse des polluants
4.9 Conclusion
Conclusion générale
Bibliographie
Télécharger le rapport complet
