Soutenance mémoire
Bien que le moteur diesel soit centenaire, il est en constante et forte évolution, à la fois du fait d’une meilleure connaissance des phénomènes impliqués et d’une exigence croissante de performance, de faible consommation et de réduction des émissions des polluants. Les performances et les niveaux de pollution obtenus sur les moteurs récemment commercialisés ou en cours de développement auraient très certainement, il y a 20 ou 30 ans, été réputés comme infaisables par les meilleurs diésélistes. La forte pollution produite par les moteurs diesel et les problèmes environnementaux grandissant ces dernières années ont contraint les grands constructeurs automobiles à trouver des solutions pour réduire cette pollution de manière notable et ainsi à respecter les normes qui à mesure que les années passent deviennent de plus en plus exigeantes. Les polluants sortant des échappements contribuent également à la formation dans l’atmosphère, par réaction entre les espèces chimiques présentes, des polluants secondaires, en particulier notre ozone qui est déjà en cas critique.
GENERALITE SUR LE MOTEUR THERMIQUE
Les moteurs thermiques ont pour rôle de transformer l’énergie thermique à l’énergie mécanique. Ils sont encore appelés les moteurs à combustion qui sont généralement distingués en deux types :
❖ Les moteurs à combustion interne où le système est renouvelé à chaque cycle. Le système est en contact avec une seule source de chaleur (I’ atmosphère).
❖ Les moteurs à combustion externe où le système (air) est recyclé, sans renouvellement, ce qui nécessite alors 2 sources de chaleur, entrent par exemple dans cette dernière catégorie : les machines à vapeur.
MOTEUR A COMBUSTION INTERNE
La chaleur est produite par une combustion dans une chambre à volume variable et elle est utilisée pour augmenter la pression au sein d’un gaz qui remplit cette chambre (ce gaz est d’ailleurs initialement composé du combustible et du comburant: air). Cette augmentation de pression se traduit par une force exercée sur un piston, force qui transforme le mouvement de translation du piston en mouvement de rotation d’arbre (vilebrequin).
Les moteurs sont classés en deux catégories suivant la technique d’inflammation du mélange carburant-air :
● les moteurs à allumage commandé (moteur à essence)
● les moteurs à allumage par compression (moteur Diesel) .
Dans les moteurs à allumage commandé, un mélange convenable essence-air, obtenu à l’aide d’un carburateur, est admis dans la chambre de combustion du cylindre où l’inflammation est produite par une étincelle. Dans les moteurs à allumage par compression, le carburant est du gazole. On l’injecte sous pression dans la chambre de combustion contenant de l’air, préalablement comprimé et chaud, au contact duquel il s’enflamme spontanément. Ces moteurs sont appelés moteur Diesel. Les moteurs à allumage, commandé et par compression, sont des moteurs à combustion interne, car la combustion s’effectue à l’intérieur du moteur. Ces moteurs constituent actuellement la majorité des unités de production de puissance mécanique dans beaucoup de domaines, surtout le domaine de transports où ils se sont particulièrement développés en raison de leurs avantages : bon rendement, compacité fiabilité…, ceci explique l’extension qu’on pris de nos jours l’industrie des moteurs et l’ensemble de ses branches connexes dans tous les pays du monde.
MOTEUR A COMBUSTION EXTERNE
La chaleur est produite dans une chambre de combustion (chaudière) séparée de la chambre de détente. Cette chaleur est utilisée pour vaporiser de l’eau. La vapeur d’eau obtenue par cette vaporisation est alors envoyée dans la chambre de détente (cylindre) où elle actionne un piston. Un système bielle manivelle permet alors de récupérer l’énergie mécanique ainsi produite en l’adaptant aux besoins. L’eau qui est fournie à l’évaporateur est transformée en vapeur d’eau par apport de chaleur. Ce gaz (vapeur d’eau sous pression) est distribué vers le piston où il fournit du travail qui sera utilisé par le système bielle manivelle (non représenté ici). Les distributeurs permettent de mettre chaque face du piston alternativement à l’admission ou à l’échappement.
GENERALITE SUR LE MOTEUR DIESEL
HISTORIQUE
L’Allemand Rudolf Diesel, né à Paris, entrepris dès 1887 l’étude du moteur qui porte son nom. Dix ans plus tard, il fabrique son premier moteur à injection de combustible d’une puissance de 20ch à 172 tr/min dont l’injection est assurée par un jet d’air comprimé et l’allumage est commandé spontanément et c’est la raison pour laquelle il n’a pas besoin de bougies d’allumage et fonctionne par phénomène d’auto-inflammation. Cela est possible grâce à un très fort taux de compression (rapport volumétrique), permettant d’obtenir une température de 700 à 900 °C. Des bougies de préchauffage sont souvent utilisées pour permettre un meilleur démarrage du moteur à froid, en augmentant la température de la chambre de combustion. Les moteurs Diesel fonctionnent habituellement au gasoil, au fuel lourd ou aux huiles végétales ou minérales. Ils peuvent aussi bien être à deux temps (surtout sur les Diesel de navire, avec suralimentation par compresseur et injection pneumatique) qu’à quatre temps. Ce type de moteur à taux de compression élevé a connu une expansion rapide dans l’industrie automobile en Europe à partir de la fin des années 1980 lorsque la suralimentation par turbocompresseur en a notablement amélioré les performances.
PRINCIPE DE FONCTIONNEMENT
Tous les moteurs thermiques fonctionnent sur le même principe : l’explosion d’un mélange inflammable et c’est pourquoi on parle aussi de moteur à explosion. La maîtrise de cette explosion permet de mettre en mouvement des pièces mécaniques, qui au final, mettent en rotation un axe. La différence majeure entre un moteur diesel et un moteur essence réside dans le principe d’auto-allumage. En effet, le diesel nommé aussi gasoil, s’enflamme spontanément lorsqu’il est injecté dans de l’air surchauffé, dû à la forte compression, à la différence du moteur à essence, appelé aussi moteur à allumage commandé, dont le mélange air/essence doit être enflammé par une bougie d’allumage. En générale, sur le type de moteur Diesel à 4 temps, le travail se déroule selon le processus suivant:
• temps d’admission
• temps de compression
• temps de combustion et détente
• Temps d’échappement.
1er étape – L’Admission :
La soupape d’échappement se ferme, celle d’admission s’ouvre et l’air est introduit dans la chambre de combustion, soit par la dépression que crée le piston en descendant, soit par insufflation dans le cas d’un moteur équipé d’un Turbo-Compresseur. Dès que le piston est descendu jusqu’en bas, la soupape d’admission se ferme.
2ème étape – Compression :
Le piston remonte, l’air se comprime et sa température augmente. De plus, en se comprimant et grâce à la forme du piston et de la chambre de combustion, l’air aspiré est animé d’un mouvement tourbillonnaire. C’est ces turbulences qui vont mélanger les particules de gasoil quasi-uniformément dans toute la chambre de combustion et ainsi produire une bonne combustion du mélange.
3ème étape – Explosion (combustion) et détente :
Le piston arrive en bout de course, la pression et la température sont au maximum : Le gasoil est injecté dans la chambre de combustion par différents procédés et s’enflamme spontanément. La combustion dilate les gaz dans la chambre de combustion et le piston redescend : c’est la phase de « détente » des gaz brûlés et c’est durant cette même phase que le moteur fournit un travail. La transformation de l’énergie est dite isobare c’est à dire que la pression reste constante.
Dernière étape – Échappement :
Le piston descend en bout de course inférieur puis dès le début de la remonté, les soupapes d’échappements s’ouvrent et les gaz brûlés sont expulsés de la chambre de combustion durant toute la remontée. Le piston termine sa course et le cycle recommence.
SYSTEME DE REFROIDISSEMENT
Refroidissement par air
En 1875 le français Alexis de Bischop utilise l’air pour le refroidissement. Son moteur sans compression préalable, de type mixte, comportait un cylindre entouré d’ailettes métalliques augmentant ainsi la surface en contact avec l’air. Ce type de refroidissement est surtout utilisé pour les moteurs équipant les vélomoteurs et motocyclettes de faible cylindrée, mais aussi sur des automobiles(comme la 2CV, la Coccinelle…). Le refroidissement par air est aussi majoritaire pour les moteurs à pistons équipant les avions.
Le refroidissement à air a longtemps été la référence pour les moteurs de motocyclettes (même s’il a toujours existé des moteurs de motocyclettes à refroidissement liquide) mais les problèmes entraînés par le haut rendement de ces moteurs (casse, usure prématurée) ont conduit à la quasi généralisation du refroidissement liquide malgré les avantages spécifiques pour la motocyclette du refroidissement à air.
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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
