Effet du tuyau entre la CC et le capteur de pression

Effet du tuyau entre la CC et le capteur de pression

L’article (Hountalas et. Anestis, 1998) présente une étude sur l’effet du positionnement du capteur de pression sur le diagramme de pression d’un moteur diesel marin. Le capteur de pression est installé au bout d’un tuyau de raccord de longueur et de diamètre variable. Le positionnement du capteur induira une écart de mesure entre la pression de la CC et celle au capteur.

Les auteurs affirment que le tuyau de raccord est difficilement modélisable. Ceci est causé par un écoulement non permanent et un déplacement de masse des gaz à l’intérieur de celui-ci. L’étude ainsi réalisée présente une approche par différence finie du tuyau combiné à différents modèles permettant de modéliser la combustion dans la CC. Tout d’abord, un modèle de combustion calcule la quantité de chaleur dégagée par la combustion du combustible.

Un autre modèle thermodynamique permet alors de calculer les conditions présentes à l’intérieur du cylindre, soit la pression et la température, qui seront utilisées comme conditions aux frontières du tuyau. TI ne faut pas oublier le modèle de transfert de chaleur utilisé pour permettre le refroidissement des parois du cylindre. Pour être en mesure de solutionner le problème d’écoulement non permanent à l’intérieur du tuyau, un modèle unidimensionnel par différence finie est utilisé. Ce modèle tient compte de l’échange d’énergie et de masse entre la CC et le tuyau et de la friction entre le fluide et les parois

Développement et application d’une méthode de diagnostic pour moteur diesel marin

La majorité des navires utilisent des moteurs diesels pour leur système de propulsion dû à leurs efficacités thermiques élevés, leurs concentration de puissance et leurs fiabilités. L’état de ceux-ci est alors très important car il affectera directement le temps de transport des marchandises présentes à son bord. Il faut alors s’assurer qu’il soit toujours en bonne condition d’opération afin de minimiser le temps de transport maximisant ainsi les profits de l’armateur. Pour être en mesure d’effectuer le diagnostic d’un moteur diesel, plusieurs moyens sont disponibles.

La majorité du temps la pression est une mesure acceptable de la condition du moteur. Que ce soit avec la pression moyenne effective, le diagramme PV ou PS, l’ingénieur peut calculer les différents paramètres thermodynamiques tel que la puissance indiquée et la chaleur dégagée. Par contre, l’utilisation de ces outils ne permet pas de connaître la source d’une basse puissance délivrée pour un cylindre donné. Habituellement les ingénieurs utilisent la méthode dite « essai et erreur » et ils se basent surtout sur leur grande expérience pour solutionner les problèmes reliés à la performance des moteurs diesels marins. Que ce soit une basse puissance délivrée par un cylindre ou une haute température d’échappement les causes de ces problèmes peuvent être multiples. Plusieurs méthodes on été développées pour déterminer la source des problèmes mais elles sont majoritairement basées sur des outils statistiques et n’offrent pas un grand taux de réussite (Kouremenos et al., 1996). De plus, celles-ci doivent êtres développées pour chacun des différents moteurs à 1’étude. La méthode de diagnostic présentée (Kouremenos et al., 1996) se base sur des outils purement thermodynamiques et sur les courbes de pression PV ou P8 et celle du système d’injection. La méthode repose sur le calcul de plusieurs constantes qui décrivent l’état du moteur et de ses sous-systèmes.

Les constantes sont ainsi indépendantes des paramètres d’opération et sont représentées par des paramètres géométriques du moteur. On utilise donc la même méthode pour tous les types de moteurs.Les constantes représentent l’état des sous-systèmes suivants : le procédé de compression (6 constantes), le procédé de combustion et d’échappement ( 4 constantes), le système d’injection de combustible (3 constantes) et finalement l’ensemble refroidisseur d’air et turbocompresseur (2 constantes).Afin de déterminer la relation entre les constantes et les composantes du moteur, une analyse de sensibilité entre celles-ci permet de faire ressortir les variables les plus importantes. Cette analyse de sensibilité est appliquée à trois moteurs diesels marins différents. Afin de limiter cette section, les résultats d’un seul moteur seront présentés car ils sont similaires pour les autres moteurs. Le moteur à 1’étude est un moteur diesel lent 2 temps, qui souffrait d’un gros problème de renversement d’écoulement d’air de balayage (surging) au turbocompresseur à des vitesses supérieures à 115 rpm même, si sa vitesse maximale est de 125 rpm. L’augmentation de la consommation de combustible et l’augmentation des températures d’échappement montrait qu’il souffrait d’une basse efficacité thermique.

Autre méthode de diagnostic pour moteur diesel marin

En contre partie, d’autres méthodes existent afin de faire le diagnostic du moteur diesel de propulsion. Une autre méthode largement utilisée (Liu et al., 2000) est celle qui utilise un capteur de couple moteur et de vitesse couplé avec un ferrographe qui analyse l’huile de lubrification du moteur diesel de propulsion. Le ferrographe est l’indicateur de la condition du moteur et de son usure. Il détecte la variation de la qualité de 1’huile de lubrification par sa capacitance. Une légère variation de la constante diélectrique de 1’huile de lubrification montrera par exemple une haute teneur en polluants tel que de l’eau de refroidissement ou du combustible.

Le capteur de vitesse permettra aussi de montrer les changements instantanés de la vitesse de rotation du moteur renseignant ainsi sur la qualité de la combustion de tous les cylindres. Si la combustion dans un des cylindres est mauvaise, la vitesse de rotation instantanée sera affectée à la baisse lorsque ce cylindre est dans son cycle de puissance. Les réparations et les inspections pourront être prévues en fonction des résultats obtenus avec ce type de SAD. Les résultats de cette méthode de diagnostic ne sont pas présentés dans cet article. Il ne fait que présenter l’utilisation de cette méthode. Par contre, si une courbe de vitesse de rotation échantillonnée est différente des courbes de références, ceci indiquera que le moteur est dans un état problématique et qu’une investigation est requise.

Réduction des GES et protocole de Kyoto

Malgré sa faible concentration de population par km2, le Canada est quand même un grand producteur de GES. Étant membre de la Convention-cadre des Nations-Unies sur les changements climatiques (CCNUCC) avec 160 autres pays, il se doit de mettre en œuvre des mesures de réduction de production des GES. Le Canada doit, conformément au protocole de Kyoto, réduire sa production de_GES de 6% par rapport à sa production totale de 1990 (Environnement Canada [1]). La période limite pour l’accomplissement de cette rédaction est de 2008 à 2012 (annexe 1). Évidemment, ceci représente beaucoup de travail de la part des citoyens et des différentes industries. L’investissement est donc considérable mais nécessaire pour assurer un futur propre. Trois milliards de dollars (Environnement Canada [2]) ont déjà été investis dans des mesures pour réduire la production des GES depuis 1998. Dernièrement le Gouvernement du Canada annonçait son plan sur les changements climatiques pour honorer notre engagement de Kyoto. Plus pratiquement, les différentes mesures touchent tous les aspects de l’économie.

Implication de Transport Canada et système d’acquisition de données

Lors de mes stages universitaires au CDT de TC pendant plus d’un an, j’ai été en mesure de travailler sur l’élaboration, le design et la mise en opération d’un système de réduction des émissions polluantes conjointement avec la compagnie Océanex (1997) inc. Ce système repose sur le principe de réduction des températures de combustion qui résulte en une diminution de la production d’oxydes d’azote (NOx). La baisse de température est effectuée en ajoutant une quantité d’eau dans l’air d’admission du moteur diesel. L’ajout d’eau peut aller jusqu’à 50 % de la quantité de combustible consommée par le moteur diesel. Pour être en mesure de voir l’effet de l’ajout d’eau sur la puissance délivrée, la chaleur dégagée et la consommation de combustible du moteur diesel, un SAD a été installé sur un des moteurs du N.M. Cabot. Le système n’est pas un système commercial et a été développé par le CDT.

Il consiste en un système qui échantillonne à haute vitesse les différents paramètres du moteur. Ceci permet d’effectuer un contrôle continu du moteur échantillonné en temps réel. Les détails du système d’acquisition sont la propriété du CDT (Gautier, 2001). Le système d’acquisition de données est alors capable de produire des diagrammes PV et PS bruts,filtrés ou moyennés. Ces diagrammes constitueront une référence expérimentale pour interpréter les résultats obtenus avec le logiciel de CFD lors de ce projet.

CONCLUSION

Le projet consistait à vérifier l’effet de la présence du tuyau de raccord permettant l’installation d’un capteur de pression sur la mesure de pression. Ce tuyau de raccord permet le contact direct entre le capteur de pression et la CC. Pour être en mesure de le faire nous avons fait la conception d’un modèle en CAO en utilisant les divers paramètres géométriques d’un moteur de référence. Ce moteur de référence est en opération sur le N.M. Cabot de la compagnie Océanex (1997) inc. et est déjà instrumenté par un SAD installé par le CDT de TC. Ceci nous a permis d’obtenir quelques courbes expérimentales recueillies au capteur de pression. Par la suite, le modèle a été importé dans un logiciel de CFD dans le but de le résoudre par méthode numérique. Après avoir déterminé les différentes conditions aux frontières à appliquer au modèle, la résolution a été démarrée. Les résultats obtenus nous permettent de voir l’effet causé par le tuyau de raccord modélisé entre la CC et le capteur de pression.

En utilisant un logiciel permettant de faire l’affichage des données nous les avons analysées.L’analyse des résultats obtenus pour le cas de base, soit pour une charge moteur de 100%, une vitesse de rotation de 500 rpm et une longueur de 694 mm pour le tuyau de raccord permet d’affirmer que la présence du tuyau de raccord cause une oscillation de la pression au bout de celui-ci. En utilisant diverses méthodes telles que crête-à-crête et FFT, nous avons déterminé que la fréquence de ·cette oscillation est comprise entre 261 Hz et 176Hz qui est très similaire à la valeur déterminée expérimentalement. Le calcul du travail par l’intégrale PdV en utilisant le méthode des rectangles a permis de trouver 1’écart que causerait 1’utilisation des données au capteur à comparer avec celle à la CC.L’intégrale nous donne le travail indiqué pour la portion de la courbe à l’étude et nous obtenons une valeur de 19112.6 J à la CC et de-19250.4 Jau bout du tuyau de raccord. Ceci nous indique que l’écart est très faible, soit moins de .8 %, et que les données au bout du tuyau de raccord pourraient êtres utilisées pour faire ce calcul.84 La charge moteur a été variée, soit 70 %, 85 % et 100% et ne présente aucun changement dans la fréquence des oscillations et aucun déphasage angulaire.

Par contre, on remarque un changement de l’écart de mesure sur l’intégrale PdV en fonction de la charge moteur ayant un maximum de 0.97% pour une charge moteur de 85% obtenue par interpolation cubique des trois mesures. Par la suite, la vitesse de rotation a été variée, passant de 400 rpm à 500 rpm et à 600 rpm. La vitesse de rotation cause une variation de la fréquence d’oscillation inversement proportionnelle à la variation de la vitesse de rotation. Quant à la position de la pression maximale et du début de combustion, elles sont proportionnelles à la vitesse de rotation.

L’écart de mesure lors de l’utilisation de l’intégrale de PdV au bout du tuyau de raccord pour trouver le travail indiqué montre que l’écart est au maximum de 0.2% à la vitesse de 500 rpm. En dernier lieu, nous avons utilisé deux différentes longueur de tuyau de raccord soit, 237 et 694 mm. La longueur du tuyau de raccord montre une grande variation de la fréquence de 1’oscillation au bout du tuyau de raccord la faisant passer de 536 Hz pour un tuyau de 237 mm à 261 Hz pour un tuyau de 694 mm en utilisant la méthode crête-à- crête. La même tendance est observée pour toutes les autres méthodes utilisées pour déterminer cette fréquence d’oscillation.

De plus, l’écart sur la mesure du travail par l’intégrale de PdV est proportionnel à la longueur du tuyau de raccord et est donc réduite de 0.17 % à 0.04 %pour le tuyau de raccord court (237 mm). Finalement, nous avons montré que les données obtenues au capteur de pression sont grandement affectées par la présence du tuyau de raccord. Par contre, malgré les oscillations causées par celui-ci, l’écart causée par l’utilisation des données en est dessous de 2.5 %. Alors si la précision totale du système de SAD doit être en dessous de cette valeur elles ne pourront pas être utilisées.

Table des matières

SOMMAIRE
ABSTRACT
AVANT-PROPOS ET REMERCIEMENTS
LISTE DES TABLEAUX
LISTE DES GRAPHIQUES
LISTE DES FIGURES
LISTE DES ABRÉVIATIONS ET SIGLES
INTRODUCTION
CHAPITRE 1 REVUE DE LA LITTÉRATURE
1.1Système d’acquisition de données
1.2 Effet du tuyau entre la CC et le capteur de pression
1.3Développement et application d’une méthode de diagnostic pour moteur diesel marin
1.4 Autre méthode de diagnostic pour moteur diesel marin
CHAPITRE 2 INFORMATIONS TECHNIQUES
2.1 Réduction des GES et protocole de Kyoto
2.2Implication de Transport Canada et système d’acquisition de données
2.3 Description du moteur diesel4 temps et moteur de référence
2.4 Type de résolution utilisée
2.5 Présentation du logiciel Vectis
CHAPITRE 3 DÉVELOPPEMENT DU MODÈLE DE BASE
3.1 Présentation du modèle développé en DAO
3.2 Résultats et validation du modèle
3.2.1 Exemple de résultats
3.2.2 Diagramme PS à la CC
3.2.3 Diagramme Pe au bout du tuyau de raccord
3.3 Analyse des oscillations des courbes obtenues par calcul numérique
3.4 Analyse vibratoire de la courbe fournie par le CDT de TC
3.5 Bilan du chapitre 3
CHAPITRE4 COMPARAISON DES DIFFÉRENTS CAS
4.1 Effet de la charge moteur 
4.1.1 Diagramme PS à la CC
4.1.2 Diagramme PS au bout du tuyau de raccord
4.2 Effet de la vitesse de rotation 
4.2.1 Diagramme PS à la CC
4.2.2 Diagramme PS au bout du tuyau de raccord
4.3 Variation de la longueur du tuyau de raccord
4.3.1 Diagramme PS au bout du tuyau de raccord
4.4 Travail indiqué 
4.4.1 Variation de la charge moteur-
4.4.2 Variation de la vitesse de rotation
4.4.3 Variation de la longueur du tuyau de raccord
4.5 Bilan du chapitre 4
CONCLUSION
RECOMMANDATIONS
ANNEXE 1 Graphique de tendance des émissions et cibles canadiennes du protocole de Kyoto
ANNEXE2 Tableau des coordonnées des points de surveillances du modèle
ANNEXE3 Fichier permettent l’analyse du signal temporel par FFT
BIBLIOGRAPHIE

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