Soutenance mémoire
Injection indirecte VS injection directe
Dans le domaine des moteurs automobiles, à allumage commandé, deux familles coexistent. Nous avons d’un côté les moteurs à injection indirecte, appelés moteurs à injection dans le port d’admission ou PFI (Port Fuel Injection), et de l’autre les moteurs à injection directe dans le cylindre ou GDI (Gasoline Direct Injection). La différence majeure entre ces deux types de moteur réside dans les stratégies de préparation du mélange. Dans le moteur PFI, le carburant est injecté dans le port d’admission de chaque cylindre (symbolisé en orange, repère 1, sur la Figure 1.1). Le mélange air/carburant se fait donc en amont de la chambre de combustion, juste avant que les soupapes d’admission ne s’ouvrent. Cette ouverture se produit entre 20 degrés avant le PMH (Point Mort Haut) d’admission et 60 degrés après le PMB (Point Mort Bas) d’admission (Zhao, Lai et Harrington, 1999). Notons que ces deux valeurs évoluent en fonction du modèle de moteur utilisé ainsi qu’en fonction du régime moteur souhaité. Une fois les soupapes ouvertes, l’air s’engouffre dans la chambre de combustion tout en emportant avec lui le carburant injecté. La turbulence et l’apparition d’écoulements structurés permettent d’homogénéiser le mélange air/carburant dans la chambre de combustion. Les avantages de ce type d’injection sont que le carburant a plus de temps pour se vaporiser (le système d’admission agit comme une chambre de prévaporisation), le mouillage des parois dans le cylindre est diminué et ne nécessite pas une forte pression d’injection. Cependant, le PFI a deux inconvénients majeurs :
• L’injection du carburant dans le port d’admission va automatiquement générer un mouillage des parois autour de la soupape d’admission, provoquant une hausse de la consommation de carburant et un temps de réponse plus élevé du moteur (Zhao, Lai et Harrington, 1999).
• L’injection du carburant dans le port d’admission oblige le moteur à ne fonctionner qu’en mélange homogène et supprime donc l’option de la charge stratifiée (dans le cadre de certaines recherches, la charge stratifiée a pu être effectuée sur un PFI).
Dans le moteur GDI, le carburant est directement injecté dans la chambre de combustion (symbolisé en orange, repère 2, sur la Figure 1.1). L’atomisation du jet de carburant est réalisée par une forte pression d’injection. La charge homogène est effectuée en injectant le carburant durant la phase d’admission, soit entre 90 et 130 degrés après le PMH d’admission (Zhao, Lai et Harrington, 1999). 5 Pour la charge stratifiée en GDI, l’objectif est d’injecter le carburant pendant la phase de compression, soit entre 60 et 20 degrés avant le PMH compression. Cette technique d’injection permet un mélange riche, localisé proche de la bougie mais isolé de la paroi de la chambre de combustion par un mélange pauvre et par des résidus de la combustion précédente (Zhao, Lai et Harrington, 1999). L’ensemble constitue un mélange pauvre en carburant qui induit une baisse de la consommation de carburant pour un même volume de chambre par rapport au mode homogène (Sandquist, Karlsson et Denbratt, 2001). Cette stratégie de combustion est rendue possible avec la technologie de l’injection directe et l’ouverture maximale du papillon.
Émissions polluantes et consommation lors d’ajout d’éthanol
Plusieurs recherches sur les émissions polluantes ont été effectuées pour le mode homogène avec ajout d’éthanol dans le carburant utilisé. Note : Les comparaisons sont faites avec l’isooctane sauf indication contraire. Concernant le CO2, il n’y a pas de réelle tendance qui se dégage. Certains observent une baisse des émissions de CO2 (Guerrieri, Caffrey et Rao, 1995; Jeuland, Montagne et Gautrot, 2004) alors que d’autres concluent à une augmentation de ces émissions (Hsieh et al., 2002). Les résultats sont résumés dans le Tableau 1.1. L’ajout d’éthanol dans l’essence provoque une diminution des émissions de CO. Différentes recherches vont dans ce sens, avec des monocylindres PFI (Cinar et al., 2006; Jia et al., 2005) et GDI (Zervas, Montagne et Lahaye, 2003), des trois cylindres PFI (Jeuland, Montagne et Gautrot, 2004) ou encore avec des quatre cylindres PFI (Hsieh et al., 2002) et GDI (Sandquist, Karlsson et Denbratt, 2001; Wallner, Miers et McConnell, 2008). Guerrieri, Caffrey et Rao (1995) ont observé cette baisse également, mais sans donner d’informations sur les moteurs utilisés. La Figure 1.3 nous montre les différences observées entre les moteurs monocylindres (Trait plein) et les moteurs 4 cylindres (Trait discontinu).
Nous observons la même tendance de diminution des émissions de CO dans les PFI et les GDI. Il est à noter que les essais évoqués ont été réalisés dans des conditions et avec des modèles de moteurs différents. Les paramètres de chaque référence sont rassemblés dans le Tableau 1.3. Cela étant dit, les tendances de diminution des émissions de CO sont clairement visibles. Dès 1981, il a été observé que l’ajout d’éthanol provoquait une diminution des NOx dans un monocylindre PFI (Brinkman, 1981). Depuis, d’autres recherches ont appuyé cette tendance (He et al., 2003; Jia et al., 2005; Zervas, Montagne et Lahaye, 2003) et notamment dans un 4 cylindre PFI (Varde et al., 2007). Comme le montre la Figure 1.4, les tendances sont similaires entre les monocylindres (traits pleins) et les 4 cylindres (traits discontinus). He et al. (2003) et Varde et al. (2007) observent tous les deux une diminution des émissions des NOx.
L’autre particularité de l’éthanol est sa capacité à diminuer les émissions de suies et de HC. L’étude des chemins d’oxydation de l’éthanol (Leplat et al., 2011) et de l’isooctane (Curran et al., 2002; Jia et Xie, 2006), a permis à Broustail et al. (2012) de démontrer que l’augmentation de la concentration d’éthanol dans le carburant permet de diminuer les émissions de précurseur tel que le C2H4, le CH4 et le C2H2. Zhang et al. (2009) nous montrent que le C2H2 est un précurseur de suie, or Leplat et al. (2011), nous montrent que le C2H4 est le précurseur du C2H2. Broustail et al. (2012) en concluent donc que les suies sont diminuées puisque l’augmentation d’éthanol diminue l’émission de C2H4. Il en va de même pour le CH4. Le C2H4 est un précurseur du CH4 via le CH3 (Leplat et al., 2011), le CH3 vient de la fragmentation des chaines d’hydrocarbures de l’isooctane (Curran et al., 2002; Jia et Xie, 2006). L’augmentation du pourcentage d’éthanol va donc diminuer les émissions de CH4 du fait que la concentration d’isooctane diminue.
Dans le Tableau 1.2, nous avons résumé les tendances observées par Broustail et al. (2012) pour de l’éthanol. Celles-ci ont été comparées à de l’isooctane. L’inconvénient majeur de l’éthanol est l’augmentation de la consommation du moteur qu’il induit. Cela s’explique facilement lorsque l’on observe son pouvoir calorifique (approximativement la moitié de l’isooctane). Plusieurs recherches démontrent cet inconvénient. Elles figurent dans la Figure 1.5 (Brinkman, 1981; Cataluna et al., 2008; Cinar et al., 2006; He et al., 2003). On peut noter jusqu’à 53 % d’augmentation de la consommation avec l’usage d’éthanol pur. Mais il est important de rappeler que les différentes recherches utilisées pour générer ce graphe ne se sont pas effectuées dans les mêmes conditions et ont recours à du matériel différent. On ne peut donc pas conclure sur une linéarité parfaite entre consommation et concentration d’éthanol. Le Tableau 1.3 rappelle les conditions d’essai des différentes références.
Les éléments numériques Une fois l’interfaçage physique réalisé entre les modules et le moteur, par l’intermédiaire du cRIO et du DAQ, c’est le logiciel LabVIEW qui « entre en jeux ». Avec ce dernier, nous pouvons non seulement contrôler le moteur (via une interface graphique), mais aussi collecter des données. Nous pouvons notamment extraire les courbes de pression volume, le régime moteur, la pression d’admission ou encore la température du moteur. LabVIEW est un logiciel permettant la création d’un environnement de programmation graphique utilisé pour développer des systèmes complexes de mesure et de test. Dans le cadre de ces recherches, c’est LabVIEW 8.5 qui a été utilisé. Sur la Figure 2.7, un schéma de principe détaille le fonctionnement du programme de pilotage moteur. Grâce au LabVIEW FPGA, on peut créer du matériel personnalisé de mesure et de contrôle en utilisant la programmation graphique. Le module LabVIEW FPGA permet de compiler et de déployer des applications sur le FPGA embarqué du CompactRIO.
C’est le squelette de notre calculateur automobile. Combiné à la technologie temps réel, développée par National Instruments, nous pouvons piloter, à notre gré, des systèmes comme le cRIO en boucle ouverte ou fermée (en utilisant des réglages PID notamment). Le fichier « Real Time » accueille toute la programmation nécessitant un asservissement en boucle fermée (ex. : contrôle de la pression carburant, contrôle du papillon…). Le contrôle de ces derniers n’est pas chose aisée. Il est détaillé en 2.3.3. Le fichier « Write Output » permet de donner les consignes fixes au moteur (telles que la durée d’injection ou l’ordre de mise à feu des bougies). Notons que ces consignes ne nécessitent pas d’asservissement. Le fichier « Read Input », quant à lui, permet de recevoir les informations des capteurs présents sur le moteur (capteur de température, capteur de vitesse, pression carburant, …). Nous avons enfin utilisé le logiciel CalVIEW. Il permet de relier les variables des différents fichiers de contrôle (fichier « Real Time », « Write output » et « Read input ») aux indicateurs de l’interface utilisateur (fichier Host). Cet échange des données a été représenté par des flèches pleines et rouges dans la zone « ordinateur » de la Figure 2.7. Pour utiliser le moteur, l’utilisateur n’a ainsi qu’à utiliser l’interface et non les fichiers sources de pilotage du moteur.
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Table des matières
INTRODUCTION
CHAPITRE 1 ÉTAT DE L’ART
1.1 Injection indirecte VS injection directe
1.2 Émissions polluantes et consommation lors d’ajout d’éthanol
1.3 La variation cycle à cycle
1.4 Conclusion et définition des objectifs
CHAPITRE 2 MATÉRIELS ET INSTRUMENTS DE MESURE
2.1 Le moteur
2.1.1 Moteur d’essai
2.1.2 Injecteurs
2.1.3 Turbo
2.1.4 Échappement et sonde à oxygène
2.1.5 Modifications et ajouts pour le fonctionnement du moteur
2.2 Composants électriques
2.2.1 Encodeur
2.2.2 Pilotage des bobines d’allumage
2.3 Le contrôle et l’extraction des résultats du moteur
2.3.1 Les composants physiques
2.3.2 Les éléments numériques
2.3.3 Le réglage PID
2.4 Dynamomètre
2.5 Analyseurs
2.5.1 Analyseur de particules
2.5.1.1 Les instruments
2.5.1.2 Le système de dilution
2.5.2 Analyseur de gaz
2.5.3 Émissions polluantes
2.5.3.1 Les NOx
2.5.3.2 Le CO
2.5.3.3 Les Particules
2.5.3.4 Les HC
2.5.3.5 Polluants non règlementés
2.6 Bilan du chapitre
CHAPITRE 3 CAMPAGNE DE TEST
3.1 Rappel sur les carburants et biocarburants
3.1.1 Essence
3.1.2 Biocarburants de première et seconde générations
3.1.3 Éthanol
3.1.4 Choix des carburants
3.2 Étude paramétrique
3.2.1 Conditions de route
3.2.2 Recherche des paramètres moteurs
3.3 Expériences et répétabilité
3.4 Traitement des données.
3.4.1 Calcul de la consommation spécifique
3.4.2 Calcul des émissions spécifiques de polluant
3.4.3 Calcul de la fraction massique brulée
3.5 Bilan du chapitre
CHAPITRE 4 ANALYSE
4.1 Étude du fonctionnement du moteur
4.1.1 Étude des paramètres moteur
4.1.1.1 Vitesse moteur
4.1.1.2 Pression carburant
4.1.1.3 Richesse
4.1.1.4 Bilan
4.1.2 Consommation spécifique
4.1.3 Émission de CO
4.1.4 Bilan
4.2 Étude de l’impact de l’éthanol
4.2.1 Efficacité moteur
4.2.1.1 COV de PMEI
4.2.1.2 Consommation spécifique
4.2.1.3 Fraction massique brulée
4.2.2 Émissions polluantes
4.2.2.1 CO
4.2.2.2 NO
4.2.2.3 THC
4.2.2.4 Particules
4.2.3 Bilan
4.3 Bilan du chapitre
CONCLUSION
RECOMMANDATIONS
ANNEXE I Schémas de câblage des modules
ANNEXE II Points d’opération des essais
ANNEXE III Système de dilution
LISTE DE RÉFÉRENCES BIBLIOGRAPHIQUES
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