Analyseurs de polluants et de particules

Ce chapitre a pour principal objectif de décrire le montage expérimental utilisé pour les essais. En premier lieu, le montage du moteur sera plus amplement présenté. Par la suite, les analyseurs de polluants et de particules seront décrits. Ensuite, les calculs permettant l’analyse des données seront présentés ainsi que les erreurs associées à ceux-ci. Finalement, les points d’expérimentation seront établis.

Banc d’essai moteur 

Le moteur utilisé est un moteur à allumage commandé à injection directe (EP6DT). Ce moteur utilisé pour les essais est le fruit d’un partenariat entre BMW et PSA Peugeot Citroën équipant des sous-compacts de chaque fabricant (Schopp, Kiesgen et Lechner, 2010). Ce moteur présente une cylindrée de 1 598 cm³ et est utilisé comme un moteur à aspiration atmosphérique dans ce mémoire.

Le moteur est couplé à un dynamomètre à courant de Foucault. Le dynamomètre AVL alpha 160 est utilisé afin de contrôler la vitesse de rotation et de mesurer le couple produit par le moteur.

L’acheminement du carburant au moteur est fait par une pompe basse pression placée près du réservoir de carburant. La pompe et les conduites de carburant ont été sélectionnées afin de résister aux carburants utilisés lors des expérimentations. Une valve de restriction a été installée afin de garder la pression dans le système à environ 5 bar tout en laissant le débit de carburant non utilisé par le moteur être réacheminé au réservoir.

Le contrôle du ratio air-carburant a pu être ajusté avec l’utilisation d’une sonde Lambda à large bande de Horiba jumelée à un amplificateur de signal 0-5 V modèle LD-700 de Horiba également.

Le contrôle du moteur est fait par un CompactRIO modèle 9012 de National Instruments avec le logiciel LabVIEW. Ce contrôleur permet de faire acquisition de toutes les données provenant des capteurs présents sur le moteur comme les données de pressions, de positions, de températures et de débits à l’aide du module AD Combo (Analog input and Digital input). Le positionnement/régime du moteur est déterminé à l’aide d’un encodeur fixé sur l’arbre à cames. L’encodeur de BEI permet une lecture de 1 440 pulses par révolution de l’arbre à cames. C’est-à-dire que pour chaque révolution du moteur (vilebrequin) l’encodeur permet une résolution de 720 pulses/révolution. Le moteur cadence donc ses actions par rapport à cette précision. Le contrôleur permet aussi de contrôler le calage et la durée de l’injection grâce au module DI (Direct Injection driver) ainsi que le calage de l’allumage à l’aide du module ESTTL (Engine-Synchronous TTL output). De plus, le CompactRIO permet de contrôler toutes les composantes électroniques du moteur à l’aide du module LowSide (LowSide solenoid).

Voici, la liste des paramètres électroniques contrôlés par le CompactRIO avec le module LowSide,
• Relais du démarreur;
• Valve de décharge du turbo;
• Thermostat piloté;
• Refroidissement du turbo;
• Valve papillon d’admission d’air;
• Valve de régulation de la pression du carburant.

Un capteur de pression (modèle 6056A de Kistler) intégré dans la bougie d’allumage permet d’acquérir les données de pressions à l’intérieur du cylindre #1. Le signal passe par un amplificateur de charge (modèle 5010 de Kistler) pour être envoyé à une carte DAQ (NI DAQ SCB 68) qui permet l’enregistrement des données à l’aide d’un programme LabVIEW. Le programme permet l’acquisition de la pression à chaque pulse de l’encodeur, ainsi il est possible d’obtenir la pression à l’intérieur du cylindre à chaque 0,5 degré vilebrequin (°CA). Ces données permettront d’évaluer la combustion ainsi que la stabilité du moteur. Ces données de pression sont enregistrées pendant une période de 300 cycles.

Injecteur 

Bien entendu dans un moteur à injection directe, l’injecteur est une pièce très importante. En effet, les paramètres d’utilisation ainsi que sa configuration auront un impact sur les performances du moteur. En effet, selon Noyori et Inoue (2007) qui ont fait des essais avec six injecteurs ayant un positionnement de trous différent et un L/D (ratio entre la longueur du cylindre du trou et son diamètre) différents, le type d’injecteur influence grandement l’atomisation du carburant, la pénétration du jet, l’entrainement de l’air et la vitesse du jet. Ces caractéristiques de l’injection vont avoir une influence marquée sur la combustion. Les injecteurs utilisés pour cette étude sont les injecteurs d’origine du moteur EP6DT. Ces injecteurs font partie de la famille HDEV 5.2  fabriquée par la compagnie Bosch. Les injecteurs HDEV 5.2 opèrent à une pression d’injection d’essence jusqu’à 200 bars et une configuration à sept trous est possible.

Analyseurs de polluants et de particules 

Les gaz d’échappement sont analysés par un FTIR (Fourier Transform InfraRed spectroscopy) modèle 600 de CAI (California Analytical Instruments). Les gaz d’échappement sont acheminés à l’appareil à l’aide d’une ligne chauffante permettant de garder les gaz à une température de 191 °C afin d’éviter la condensation dans la ligne et dans l’appareil. Le FTIR permet de déterminer la concentration de molécule non symétrique dans un débit de gaz. Lors des expérimentations, le FTIR était en mesure d’évaluer les concentrations d’hydrocarbures imbrulés, représentés par la molécule de propane (C₃H₈), le méthane (CH₄), le monoxyde de carbone (CO), le dioxyde de carbone (CO₂), l’eau (H₂O), le formaldéhyde (HCHO) et les oxydes d’azote (NO et NO₂).

Les émissions de particules sont évaluées par l’analyseur de particules qui est en fait un regroupement de plusieurs technologies. En effet, deux appareils et un logiciel du fabricant TSI sont utilisés pour l’obtention et la récolte de données concernant la quantité et la dimension des particules. Pour commencer, un classificateur électrostatique est utilisé afin de séparer les particules de différents diamètres. L’appareil utilisé est le « Series 3080 – Electrostatic Classifiers ». L’appareil commence par neutraliser les charges électriques des particules. Ensuite, l’échantillon de gaz passe dans le DMA (Differential Mobility Analyser) (Modèle 3018). L’utilité de cette composante est de séparer les particules en se basant sur leur mobilité électrique (TSI, 2006). Après avoir séparé les particules d’une certaine dimension, les particules sont envoyées à l’UWCPC (Ultrafine Water-based Condensation Particule Counter) modèle 3786. Cet appareil est en mesure de détecter des particules jusqu’à une dimension de 2,5 nm, et avoir un débit maximum de 0,6 L/min. Le principe de fonctionnement consiste en un laser qui illumine la particule et un capteur optique qui détecte la particule (TSI, 2005). Par contre, la particule en soit est trop petite pour être détectée par le capteur optique. Donc, une technique de condensation est utilisée pour déposer de l’eau sur la particule pour en augmenter son volume et du même coup sa visibilité. Cette technique consiste à faire passer le débit d’aérosol dans un tube ou les parois sont humiques. Les parois sont chauffées de telle sorte que l’eau est en phase surchauffée. En passant dans cet environnement, la particule grossie au fur et à mesure qu’elle traverse le tube (TSI, 2005). Afin de comptabiliser et de transmettre les données obtenues par les appareils, le logiciel Aerosol Instrument Manager de TSI est utilisé. Ce logiciel complète le système SMPS (Scanning Mobility Particule Sizer) utilisé lors des essais.

Le système d’analyse de particules a été réglé avec un débit d’échantillonnage de 0,6 L/min et une durée de 120 secondes. Ce réglage offre une plage de diamètre de particules de 9 à 469 nm. Le logiciel permet d’appliquer une correction de charges multiples et de diffusion avec une densité de particule fixée à 1,00 g/cc et une densité des gaz de 0,0012 g/cc.

Afin de respecter la concentration maximale de particules et d’éviter la condensation dans l’UWCPC, les gaz d’échappement doivent être dilués avec de l’air déshumidifié. Le système de dilution consiste en un venturi, un apport d’air secondaire et un réservoir de mélange.

Table des matières

INTRODUCTION 
CHAPITRE 1 REVUE DE LA LITTÉRATURE 
1.1 Les émissions polluantes
1.1.1 Le monoxyde carbone
1.1.2 Les oxydes d’azote
1.1.3 Les hydrocarbures imbrûlés
1.1.4 Particules
1.2 Les stratégies d’injection
1.2.1 Positionnement de l’injecteur
1.2.2 Mode d’injection homogène
1.2.3 Mode d’injection stratifiée
1.2.4 L’injection directe
1.2.4.1 Technique du « Air-guided »
1.2.4.2 Technique du « Wall-guided »
1.2.4.3 Technique du « Spray-guided »
1.2.4.4 Comparaison des configurations
1.2.5 Effet de la stratégie d’injection dans un moteur
1.3 Les carburants
1.3.1 L’essence
1.3.2 Les biocarburants
1.3.2.1 L’éthanol
1.3.2.2 Le butanol
1.3.2.3 L’acétone
1.3.3 Comparaison des carburants
1.3.4 Effet de l’utilisation des carburants oxygénés dans un moteur
1.4 Synthèse de la revue de la littérature
1.5 L’objectif de recherche
CHAPITRE 2 DESCRIPTION DU MONTAGE ET DÉTERMINATION DES POINTS D’OPÉRATION 
2.1 Banc d’essai moteur
2.1.1 Injecteur
2.1.2 Montage final du moteur
2.2 Analyseurs de polluants et de particules
2.3 Analyse des données
2.3.1 Coefficient de variation de la pression moyenne effective
2.3.2 Consommation spécifique de carburant
2.3.3 Dégagement de chaleur
2.3.4 Fraction massique brûlée
2.3.5 Émissions polluantes
2.3.6 Émission de particules
2.4 Point d’opération
2.4.1 Mode d’injection homogène
2.4.2 Mode d’injection stratifiée
2.4.3 Mélanges de carburants
2.5 Conclusion du chapitre
CHAPITRE 3 RÉSULTATS : PERFORMANCE MOTEUR 
3.1 Stabilité du moteur
3.2 Consommation spécifique de carburant
3.3 Combustion
3.3.1 Initiation de la combustion
3.3.2 Durée de la combustion
3.4 Conclusion du chapitre
CHAPITRE 4 RÉSULTATS : ÉMISSIONS POLLUANTES 
4.1 Polluants réglementés
4.1.1 Le monoxyde de carbone
4.1.2 Les oxyde d’azote
4.1.3 Les hydrocarbures imbrûlés
4.2 Particules
4.2.1 Concentration massique totale
4.2.2 Hypothèses d’explication
4.2.2.1 Diamètre de gouttes initial plus important
4.2.2.2 Temps d’évaporation des gouttes
4.2.2.3 Mouillage du piston
4.2.2.4 Synthèse des hypothèses
4.2.3 Diamètre moyen des particules
4.3 Conclusion du chapitre
CONCLUSION

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