GENERALITE SUR LE MOTEUR DIESEL

GENERALITE SUR LE MOTEUR DIESEL

FORMATION DES POLLUANTS DANS LA COMBUSTION

Du point de vue thermodynamique, le moteur est un réacteur chimique qui, par la combustion, transforme l’énergie chimique du carburant en énergie mécanique recueillie sur l’arbre du moteur. Pour la formation des polluants, le moteur peut être assimilé à un ensemble de réacteurs chimiques, en parallèle ou en série, constitué des chambres de combustion (sur un moteur polycylindre) et du système d’échappement, lui-même constitué de plusieurs chambres dont certaines peuvent être des réacteurs catalytiques.
La nature des produits de réaction, donc des polluants, va dépendre non seulement des réactifs de départ (type de carburant, richesse du mélange carburé), mais encore du processus de combustion :
allumage commandé avec l’essence, allumage par compression avec le gazole. Les conditions d’ambiance rencontrées au cours et après la combustion (variations de volume, transferts de chaleur, transferts de masse, etc.) vont influer fortement sur les mécanismes complexes conduisant à la formation des polluants.
Dans la mesure où le gaz carbonique n’était pas, jusque récemment, considéré comme polluant, la combustion parfaite des carburants, composés uniquement de carbone et d’hydrogène, n’engendrerait que CO2 et H2O, à l’exclusion de tout autre produit nocif. Mais la durée très faible laissée aux processus chimiques d’oxydation pour s’accomplir au sein des chambres de combustion, les défauts d’homogénéité des mélanges carburés, l’hétérogénéité et les variations rapides de température ne permettent jamais d’atteindre l’équilibre thermodynamique idéal ; cela entraîne la présence à l’échappement de produits de combustion incomplète.
La variable la plus importante gouvernant les émissions de polluants est le rapport air/carburant, ou son inverse la richesse r du mélange carburé, qui agit directement sur les émissions relatives de CO, NO, aldéhydes et HC imbrûlés . Les mélanges pauvres donnent de faibles émissions de CO et de HC, si l’appauvrissement n’amène pas une détérioration de la combustion telle que des défauts d’allumage ne laissent sortir inchangé à l’échappement le carburant imbrûlé.

FORMATION DES OXIDES D’AZOTES

L’oxyde nitrique NO et le dioxyde d’azote NO2 sont généralement groupés sous l’ensemble NOxdans lequel NO prédomine largement. La principale source de NO est l’azote moléculaire de l’air, utilisé comme comburant alimentant le moteur.
Sauf dans les zones à richesse élevée, seule une faible partie du NO prend naissance dans la flamme, la majeure partie se formant dans les gaz quittant la flamme. Les processus de combustion et de formation de NO sont donc découplés. On peut donc négliger, sauf dans les cas de très fortes dilutions, la formation au sein de la flamme, au profit de la formation dans les gaz brûlés.
La formation de NO dépend très fortement de la température et du degré d’avancement de la réaction : N2 + O2 <=> 2 NO. À l’échelle de temps d’un moteur (20 ms), à 2 500 K, le degré
d’avancement de la réaction ne dépasse pas 50 %. Les réactions de formation de NO restent, dans tous les cas, plus lentes que les réactions de combustion, ce qui explique les valeurs hors d’équilibre des concentrations mesurées à l’échappement. Elle dépend également fortement de la concentration en oxygène : haute température et concentration élevée en oxygène entraînent donc de grandes quantités de NO produites.

FORMATION DU MONOXYDE DE CARBONE

La formation de CO intervient comme une étape intermédiaire essentielle du processus d’oxydation des hydrocarbures conduisant au produit final CO2 : la vitesse d’oxydation du combustible dépend de la concentration disponible en oxygène, de la température des gaz et du temps disponible laissé aux réactions pour s’accomplir, donc du régime moteur.

LES EMISSIONS GAZEUSES DANS LE MOTEUR DIESEL

Le paramètre principal gouvernant les émissions de CO est la richesse du mélange carburé. En mélange riche, les concentrations en CO augmentent régulièrement avec la richesse, le défaut d’oxygène entraîne une combustion incomplète. En mélange pauvre, les concentrations en CO sont faibles et varient peu avec la richesse, mais elles sont toutefois plus élevées que celles prédictibles par les modèles cinétiques.
Comme il fonctionne toujours en mélange globalement pauvre, les émissions de CO y sont nettement plus faibles que celles du moteur à allumage commandé. Cependant, par suite de l’hétérogénéité du mélange, localement des défauts d’oxygène, des niveaux de température ou des temps de séjour insuffisants pour parfaire la combustion sous forme de CO2 peuvent provoquer des émissions de CO. Ce peut être le cas aux faibles charges et aux charges maximales à régime élevé.

FORMATION DES HYDROCARBURES IMBRULES

Les hydrocarbures proviennent d’effets hétérogènes dans le mélange et au voisinage des parois,
donc à température relativement basse. Ils sont exprimés sous forme d’hydrocarbures totaux en ppm de carbone.  Les hydrocarbures imbrûlés comprennent plusieurs classes d’hydrocarbures .Ils sont plus ou moins nocifs du point de vue santé ou ont des réactivités différentes dans les  transformations chimiques troposphériques. En particulier, les HC contiennent une forte proportion de méthane inerte à ce point de vue. À ces hydrocarbures proprement dits s’ajoutent des composés oxygénés souvent plus réactifs. Les aldéhydes peuvent représenter jusqu’à 10 % des émissions HC des moteurs Diesel et, parmi ceux-ci, le formaldéhyde 20 % du total des composés carbonylés.Les résidus laissés par la flamme après combustion du mélange carburé ne représentent pas lasource majeure des hydrocarbures imbrûlés mesurés à l’échappement ; sitôt le passage de la flamme, les concentrations tombent bien au-dessous des valeurs mesurées à l’échappement. Plus tard dans le cycle, les concentrations remontent, suggérant que d’autres sources de carburant, ayant échappé à la réaction de combustion principale, viennent contribuer aux émissions.

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Table des matières

INTRODUCTION
PARTIE I. ETUDE BIBLIOGRAPHIQUE
CHAPITRE I. GENERALITE SUR LE MOTEUR THERMIQUE
I.1 INTRODUCTION
I.2 MOTEUR A COMBUSTION INTERNE
I.3 MOTEUR A COMBUSTION EXTERNE
CHAPITRE II. GENERALITE SUR LE MOTEUR DIESEL
II.1 HISTORIQUE
II.2 PRINCIPE DE FONCTIONNEMENT
II.3 DIAGRAMME DE CYCLE DIESEL
II.4 SYSTEME DE REFROIDISSEMENT
II.4.1 Refroidissement par air
II.4.1.1 Avantages du refroidissement par air
II.4.1.2 Inconvénients
II.4.2 Refroidissement par eau
II.4.2.1. Avantages du refroidissement liquide
II.4.2.2. Inconvénients
CHAPITRE III. COMBUSTION DANS LES MOTEURS DIESEL
III.1 INTRODUCTION
III.2 COMUSTION COMPLETE ET INCOMPLETE
III.2.1 Combustion complète
III.2.2 Combustion incomplète
III.3 PHENOMENE D’AUTO-INFLAMMATION
III.3.1 Mécanisme d’auto-inflammation
III.3.2 Délais d’auto-inflammation
III.3.3 Indice de cétane
III.4 CLASSIFICATION PARTICULIERE DES MOTEURS
III.4.1 Moteur à injection indirecte
III.4.2 Moteur à injection directe
III.5 CIRCUIT D’ALIMENTATION
III.5.1 Circuit basse pression
III.5.2 Circuit haute pression
III.5.3 Composants et fonctionnement
III.5.4 L’Injecteur
PARTIE II. LES EMISSIONS GAZEUSES DANS LES MOTEURS DIESEL
CHAPITRE I. FORMATION DES POLLUANTS DANS LA COMBUSTION
I.1 FORMATION DES OXYDES D’AZOTE
I.1.1 Formation du dioxyde d’azote
I.1.2 Formation du protoxyde d’azote
I.1.3 Spécificité diesel
I.2 FORMATION DU MONOXYDE DE CARBONE
I.3 FORMATION DES HYDROCARBURES IMBRULES
I.3.1 Mécanisme de trempe de la flamme
I.3.2 Mécanisme chimiques de formation des imbrulés
I.3.3 Spécificité diesel
I.4 FORMATION DES PARTICULES
I.4.1 Spécificité diesel
I.4.2 Genèse des odeurs à l’échappement Diesel
I.4.3 Caractères spécifiques de la combustion turbulante
I.4.4 Remarque
CHAPITRE II. POLLUTION DE L’AIR DUE AUX MOTEURS
II.1 EFFET DES POLLUANTS SUR LA SANTE
II.2 EFFET DES POLLUANTS SUR L’ENVIRONNEMENT
PARTIE III. ETUDE EXPERIMENTALE ET SOLUTIONS
CHAPITRE I. DESCRIPTION DES MATERIELS ET METHODES
I.1 MOTEUR D’ESSAI
I.1.1 Désignation du moteur
I.1.2 Caractéristiques du moteur
I.1.3 Bilan des paramètres thermodynamiques du moteur
I.1.4 traçage du diagramme de fonctionnement du moteur
I.1.5 Paramètres de performance du moteur
I.2 APPAREIL DE MESURE
I.3 COMBUSTIBLE
I.4 MODE OPERATOIRE
I.4.1 Objectif
I.4.2 Phase préparatoire
I.4.3 Déroulement des essais
CHAPITRE II. RESULTATS ET DISCUSSION
II.1 RESULTATS DES ESSAIS
II.2 INTERPRETATION
II.3 DISCUSSION et SOLUTIONS
II.3.1 Adaptation de la technique du carburant au moteur
II.3.2 Adaptation de la technique du moteur au carburant
II.3.3 Particularités pour le moteur Diesel refroidi par air
CONCLUSION
ANNEXES

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