Soutenance mémoire
Le système d’alimentation dans des moteurs diesel
Structure d’un moteur diesel
Le bloc-moteur
Le bloc-moteur ou carter-cylindres est la partie la plus massive, il contient les cylindres et reçoit l’ensemble des organes du moteur : équipement d’injection, vilebrequin, distribution, auxiliaires électriques,…
Le bloc moteur doit être étanche et robuste afin de résister aux pressions élevées qui règnent dans les cylindres pendant la combustion.
Le piston
Le piston est une partie mobile, il coulisse dans le cylindre selon un mouvement rectiligne de va et- vient, avec la culasse, il délimite l’enceinte où se produit la combustion, communément appelée la chambre de combustion. Le piston est un élément essentiel dans la chaîne motrice, sa fonction consiste à transformer la pression qui s’exerce sur son sommet lors de la combustion en effort sur la bielle. Des gorges dans lesquelles se logent les segments (trois à cinq) sont usinées autour du piston afin d’assurer l’étanchéité entre la chambre de combustion et le carter. La tête du piston peut être plate ou présenter un relief (généralement concave appelé le bol). Ce relief contribue à la turbulence (ou swirl) dans le cylindre au moment de l’injection, favorisant ainsi le mélange air-carburant préalable à la combustion.
La culasse
Au sommet du bloc-moteur, la culasse, assure la fermeture de la chambre de combustion, elle présente de nombreux alésages dont, le logement de l’injecteur, les ports d’admission et d’échappement. La culasse supporte aussi les composants du système de distribution : les soupapes, les sièges de soupape, l’arbre à cames, etc
Le dispositif de distribution
Le système de distribution gère l’admission de l’air frais dans les cylindres puis la vidange des gaz brûlés. Il est constitué d’éléments mobiles, les soupapes qui laissent entrer et sortir les gaz du cylindre par les ports d’admission et d’échappement. Au repos, elles sont maintenues fermées par des ressorts de rappel, l’ouverture est contrôlée mécaniquement par le système composé de l’arbre à cames, des poussoirs et des culbuteurs. L’actionnement des soupapes est aussi réalisé par des systèmes électromécaniques en cours de développement qui équiperont les moteurs sans arbre à cames dans les années à venir. L’arbre à cames est couplé au vilebrequin via une courroie de distribution de telle sorte que sa vitesse de rotation soit deux fois inférieure à celle du vilebrequin. Ainsi, l’ouverture et la fermeture des soupapes sont parfaitement synchronisées avec les mouvements du piston.
Principe de fonctionnement
Comme le moteur thermique à essence, le moteur Diesel est constitué de pistons coulissants dans des cylindres, fermés par une culasse reliant les cylindres aux collecteurs d’admission et d’échappement et munie de soupapes commandées par un arbre à cames.
Son fonctionnement repose sur l’auto-inflammation du gazole, fioul lourd ou encore huile végétale brute (Biodiesel ou autres) dans de l’air comprimé à 1:20 du volume du cylindre (environ 35 bar), et dont la température est portée de 600 °C à 1 500 °C environ. Sitôt le carburant injecté (pulvérisé), celui-ci s’enflamme presque instantanément, sans qu’il soit nécessaire de recourir à un allumage commandé par bougie. En brûlant, le mélange augmente fortement la température et la pression dans le cylindre (60 à 100 bars), repoussant le piston qui fournit une force de travail sur une bielle, laquelle entraîne la rotation du vilebrequin (ou arbre manivelle faisant office d’axe moteur, voir système biellemanivelle).
Les quatre temps du cycle Diesel sont :
1. admission d’air par l’ouverture de la soupape d’admission et la descente du piston.
2. compression de l’air par remontée du piston, la soupape d’admission étant fermée.
3. temps moteur : peu avant le point mort haut on introduit, par une injection, le carburant qui se mêle à l’air comprimé. La combustion rapide qui s’ensuit constitue le temps moteur, les gaz chauds repoussent le piston, libérant une partie de leur énergie. Celle-ci peut être mesurée par la courbe de puissance moteur .
4. échappement des gaz brûlés par l’ouverture de la soupape d’échappement, poussés par la remontée du piston
Les gaz polluants dans les moteurs à combustion interne
Formation du monoxyde de carbone (CO)
La formation d’oxyde de carbone résulte de la combustion incomplète, en présence d’air ou d’oxygène en quantité limitée et d’explosifs, comme dans notre cas, le gazole. Lorsque la combustion a lieu en présence d’une quantité abondante d’air sans que la flamme entre en contact avec une surface, un dégagement d’oxyde de carbone a peu de chance de se produire. Le CO se forme lorsque la flamme entre en contact avec une surface dont la température est inférieure à la température d’initiation de la partie gazeuse de la flamme.
Les gaz d’échappement des moteurs diesel (allumage par compression) contiennent environ 0,1% de CO lorsque le moteur fonctionne correctement, mais les moteurs diesel mal réglés, en surcharge ou mal entretenus peuvent émettre des quantités considérables de CO.
Formation des hydrocarbures (HC) imbrûlés
L’émission d’hydrocarbures imbrûlés, ou plus généralement de produits organiques, proviennent de combustion incomplète des hydrocarbures. Contrairement au CO et aux NOx, qui se forment en phase homogène à haute température au sein du fluide, les HC imbrûlés proviennent plutôt d’effets hétérogènes dans le mélange au voisinage des parois, donc à température plus basse.
Formation des oxydes d’azote (NOx)
Les oxydes d’azote (typiquement rassemblés sur le signe NOx), qui représentent l’ensemble des molécules NO, NO2 et N2O, sont produits lors de la combustion dans le moteur.
Contrairement aux moteurs à allumage commandé, la combustion dans les moteurs Diesel est hétérogène.
Par conséquent, même si le mélange est globalement très pauvre en carburant, il y a toujours des zones de la charge gazeuse où le mélange est au voisinage de la stœchiométrie. La formation de NO se produit dans ces zones par simple effet d’augmentation de la température de l’air, qui contient les ingrédients clés : l’azote et l’oxygène. Donc, la combustion pré-mélangée ne contribue pas considérablement aux émissions de NOx puisque les températures sont basses et le mélange est bien effectué.
Formation des suies
Les émissions de suie sont formées dans les régions riches en combustible dans le cœur liquide du jet du carburant gazole. La température de la région de flamme varie entre 1000K et2800K d’où la pyrolyse du combustible par les gaz brûlés chauds qui l’environnent et forme donc les particules des matières.
Formation des hydrocarbures aromatiques polycycliques (HAP)
Les HAP sont des composés aromatiques comportant plus de deux et jusqu’à six noyaux benzéniques condensés.
L’étape cinétiquement déterminante du mécanisme de formation des HAP est la formation du premier noyau aromatique: le benzène (C6H6). Les structures saturées présentes dans les carburants peuvent, aux hautes températures régnant dans les flammes, donner lieu à des réactions de déshydrogénation conduisant à la formation de radicaux vinyles qui eux-mêmes pourront se transformer en acétylène, après déshydrogénation
Le système d’injection Common rail
Les exigences en matière d’augmentation des performances et de réduction du bruit, de la pollution et de la consommation qui seront demandée aux moteurs Diesel des années 2000 ont conduit à rechercher des solutions dans l’injection directe, en employant un système plus performant que les pompes d’injection haute pression classiques. Cet objectif est atteint grâce à l’ensemble de gestion de l’injection appelé « Common Rail », dont le principe rappelle celui de l’injection séquentielle des moteurs à essence, mais qui utilise la très haute pression commandée électriquement. C’est un produit de la société Robert BOSCH qui doit équiper une grande partie de la nouvelle famille de moteurs Diesel. Ce système apporte une diminution de la consommation de 20 % par rapport à la génération précédente tout en améliorant l’agrément de conduite grâce à un couple supérieur de 50 % à bas régime et 25 % de puissance en plus, avec une réduction significative des vibrations et des bruits.
Ce système permet de tenir compte des exigences en terme de normes anti pollution : EURO 3, EURO 4 et EURO 5, agrément de conduite, économie et fiabilité.
La combustion du carburant provoque l’émission des polluants principaux suivants :
• gaz dioxyde de carbone (CO2)
• monoxyde de carbone (CO)
• hydrocarbures imbrûlés (HC)
• oxydes d’azote (NOx)
• particules de carbone
|
Table des matières
Introduction générale
1.1. Introduction
1.2. Description général d’un moteur diesel
1.2.1. Histoire du moteur diesel
1.3. Classification d’un moteur diesel
1.4. Structure d’un moteur diesel
1.4.1. Le bloc-moteur
1.4.2. Le piston
1.4.3. La culasse
1.4.4. Le dispositif de distribution
1.5. Principe de fonctionnement
1.6. Avantage et inconvénients du moteur diesel
1.7. Comparaison entre moteur diesel et moteur essence
1.8. Processus de combustion
1.9. Le système d’alimentation dans des moteurs diesel
1.9.1. Alimentation en air.
1.9.2. Alimentation en carburant
1.10. Les gaz polluants dans les moteurs à combustion interne
1.11. Les stratégies de la réduction des gaz polluants
1.11.1. Amélioration de la combustion dans les moteurs
1.11.2. D’autres procédés
1.12. Conclusion
2.1. Introduction
2.2. Le système d’injection Common rail
2.2.1. Généralités
2.2 .2. Future du moteur diesel
2.2.3. Historique du système Common Rail
2.2.4. Fonctions
2.2.5. Principe de fonctionnement
2.2.6. Avantages
2.2.7. Composants de système Common rail
2.2.8. Différents systèmes d’injection du type Common rail
2.2.9. Stratégies de gestion du système d’alimentation
2.3. Profil de système d’injection
2.3.1. Profile d’injection classique
2.3.2. Profil d’injection avec Common rail
2.4. Les différents capteurs
2.4.1. Le capteur de pression absolue
2.4.2. Le capteur de régime
2.4.3. Le capteur de phase
2.4.4. Le capteur de température du moteur
2.4.5. Le capteur de pression de rampe
2.4.6. Le capteur de température de carburant
2.4.7. Le capteur de pression d’air d’admission
2.4.8. Le débitmètre d’air à film chaud et le capteur de température d’air d’admission
2.4.9. Le transducteur d’accélérateur
2.4.10. Le capteur de vitesse du véhicule
2.5. Conclusion
3.1. Introduction
3.2. Equations de la phase gazeuse
3.2.1. Équations de transport des espèces chimique m
3.2.2. Equation de conservation de la masse
3.2.3. Equation de quantité de mouvement
3 .2.4. Transport de l’énergie
3.3. Approche de RANS
3.4. Modèle de turbulence RNG k-ε
3.5. Équations de la phase liquide
3.5.1. Modèles d’atomisation
Le modèle KH
Le modèle RT
3.5.2. Collision
3.5.3. Evaporation
3.6. Modèle du transfert thermique (loi de paroi)
3.7. Les Modèles chimiques
3.7.1. Modélisation de la combustion turbulente
Le modèle CTC
3.7.2. Modèle d’Allumage
3.7.3. Modèle de formations des polluants
3.8. Conclusion
4.1. Introduction
4.2. Description générale du code de simulation CONVERGE
4.2.1. Structure standard de CONVERGE V1.4
4.2.2. Chois des modèles de simulation
4.3. Préparation des calculs par Converge
4.4. Caractéristique du moteur « CATERPILLAR 3401 »
4.4.1. Spécification d’injection
4.4.2. Conditions initiales
4.4.3. Conditions aux limites
4.5. Le maillage
4.6. Résultats et discussion de simulation
4.6.1. Le calage
4.6.2. Le taux de dégagement de chaleur et l’évolution de la température
4.6.3. Champs scalaires
4.6.3.1. Evolution du spray
6.2.3.2. Evolution de la température
4.6.4. Profils démissions
4.6.4.1. Profil de masse injectée et des suies
4.6.4.2. Profil de masse injectée et de Nox
4.6.4.3. Profil de masse injectée et de HC
4.6.4.4. Profil de masse injectée et de CO
4.6.4.5. Profil de masse injectée et de CO2
4.6.5 .champs turbulents
4.6.6 .champs Dynamiques
4.7. Etude paramétrique sur le système d’injection Common rail
4.7.1. Les profils d’injection
4.7.2. Comparaison entre le cas 1,2
4.7.3. Comparaison entre le cas 2,3 et 4
4.7.4. Comparaison entre le cas 2, 5, 6 et 7
4.7.5. Comparaison entre le cas 2,9, 10 et 11
4.8. Comparaison des résultats de l’évolution des NOx et des suies
4.8.1. Comparaison des NOx
4.8.2. Comparaison des suies
4.9. Conclusion
Conclusion générale
Télécharger le rapport complet
