Les moteurs à combustion interne

Les moteurs à combustion interne

Les carburants

Définition du Carburant

On désigne sous ce nom tout produit combustible capable de fournir en brûlant l’énergie thermique nécessaire pour mettre en action un moteur à combustion interne.

Différents types de carburants :

On distingue 3 types de carburants :

Carburants gazeux : surtout employés dans les régions voisines des centres de production de gaz naturel.

Il existe aussi (comme carburant gazeux de remplacement) le gaz de gazogène obtenu à partir du charbon de bois, et le gaz de pétrole liquéfié (GPL).

Caractéristiques d’un carburant :

Pouvoir calorifique :

Le pouvoir calorifique d’un carburant est la quantité de chaleur exprimée en joules par kilogramme unité S.I ( ⁄ ) ou en kilojoules par kilogramme ( ⁄ ) (unité pratique), pour les carburants liquides ou solides. Pour les carburants gazeux le pouvoir calorifique s’exprime en joules par mètre cube (unité S.I) ( ⁄ )ou en kilojoules par mètre cube( ⁄ ) (unité pratique). Il y a toujours avantage à utiliser dans un moteur un carburant au pouvoir calorifique élevé [21].

Pouvoir Calorifique Supérieur (PCS) :

Quantité de chaleur exprimée en kWh ou MJ, qui serait dégagée par la combustion complète de un (1) Mètre Cube Normal de gaz. L’eau formée pendant la combustion étant ramenée à l’état liquide et les autres produits étant à l’état gazeux.

Pouvoir calorifique inférieur (PCI) :

Se calcule en déduisant par convention, du PCS la chaleur de condensation (2511 kJ/kg) de l’eau formée au cours de la combustion et éventuellement de l’eau contenue dans le combustible.
La différence entre le PCI et le PCS est la chaleur latente de vaporisation de l’eau( vaut à peu-près (cette dernière valeur dépend de la pression et température), multipliée par la quantité de vapeur produite (m).
On a la relation :

Masse volumique :

La masse volumique d’un carburant liquide est la masse de l’unité de volume de ce carburant. Cette notion est très importante quand on cesse d’utiliser de l’essence pour utiliser un carburant différent : alcool ou carburants spéciaux.
Dans le système S.I pratique, on utilise le ( la masse volumique est ⁄ )ou encore le( ⁄ exprimée
).
Pour les carburants gazeux, on obtient la masse volumique en divisant la masse molaire par 22.4 litres.
Exemple : la masse volumique de l’oxyde de carbone CO est :
M : masse molaire du CO.
Cette masse volumique est exprimée en grammes par litre ( ⁄ ) soit : ⁄ .

Densité:

Donne le poids pour un volume de 1 dm3 (ou 1 l) de cette matière par rapport à l’eau qui a un poids de 1 kg pour 1 l.
L’essence a un poids de 0,755 kg par litre [22].

Point éclair:

C’est la température la plus basse où la concentration des vapeurs émises est suffisante pour produire une déflagration au contact d’une flamme ou d’un point chaud, mais insuffisante pour produire la propagation de la combustion en l’absence de la flamme « pilote ».

Température d’auto inflammation :

C’est la température minimale pour laquelle un mélange combustible, de pression et de composition donnée, s’enflamme spontanément sans contact avec une flamme.

Pression vapeur :

La pression de vapeur est la pression sous laquelle le corps placé seul à une température donnée constante, est en équilibre avec sa vapeur. Autrement dit, c’est la pression sous laquelle le liquide bout, à la température considérée [23].

Densité vapeur :

Cette donnée indique le nombre de fois les vapeurs d’un produit sont plus lourdes ou plus gères que l’air. Cette mesure est prise au point d’ébullition.
Si la densité de vapeur est supérieure à 1, les vapeurs d’un produit auront tendance à se maintenir près du sol.

Viscosité :

La viscosité désigne la capacité d’un fluide à s’écouler, en mécanique des fluides. En langage courant, on utilise aussi le terme de fluidité.
Lorsque la viscosité augmente, la capacité du fluide à s’écouler diminue. La viscosité tend à diminuer lorsque la température augmente.
On classe notamment les huiles mécaniques selon leur viscosité, en fonction des 4 besoins de lubrification du moteur et des températures auxquelles l’huile sera soumise lors du fonctionnement du moteur.
Une formule intéressante, la relation entre le volume et la température:
1 litre par degré et par 1000 litres soit si la température de 1000 litres de carburant liquide à pression atmosphérique s’élève de 1°C, alors il y a 1001 litres. (Mais la masse reste la même, bien entendu)

 Indice d’octane :

L’indice d’octane caractérise la résistance à l’auto-inflammation des carburants dans le moteur expérimentale au laboratoire conçu spécialement pour cet usage appelé moteur CFR (Cooperative Fuel Research).
Dans le cas d’un cliquetis, il s’agit d’une auto-inflammation instantanée et en masse d’une partie de la charge. Il en résulte une augmentation locale très forte de la pression qui provoque une vibration de la masse gazeuse brûlée.

Indice de cétane :

C’est une mesure qui représente le délai d’allumage du gas-oil, c’est à dire le temps que met le combustible à s’enflammer à partir du moment où il est injecté.
Dans un moteur Diesel, contrairement à celui à explosion, il est nécessaire que le carburant présente une structure chimique favorable à l’auto-inflammation. Cette qualité s’exprime par l’indice de cétane.
Un gazole présentera un indice de cétane X, s’il se comporte comme un mélange binaire de de n-cétane et de ( ) d ’-méthyl-naphtalène
En réalité, en préfère à ce dernier le HMN (hepta-méthyl-nonane), qui présente un indice de cétane de 15.
La mesure se fera dans un moteur CFR équipé d’une chambre de combustion Diesel.
L’indice de cétane n’a pas d’effet direct sur le moteur et son rendement, Par contre il permet d’éviter les démarrages difficiles à froid, limiter les fumées et les bruits ainsi que la pollution.
Pour les zones à climat « tempéré », les normes demandent un indice de cétane minimal de 49, et les constructeurs de 50. Généralement, il se situe entre 50 et 55.
Pour les zones très froides dites « arctique », les normes se situent dans une fourchette comprise entre 45 et 50.

Recherche bibliographique sur la combustion des carburants :

Carburant domestique :

Face à l’accroissement du nombre de véhicules dans le monde, la réduction de consommation des moteurs alternatifs à combustion interne est actuellement un problème crucial pour les constructeurs automobiles. Les moteurs du futur devront en effet répondre à des normes anti-pollution de plus en plus draconiennes, tout en conservant des performances élevées. Afin d’améliorer le rendement des moteurs, il convient donc de maîtriser la combustion à l’intérieur du cylindre. En effet, la compréhension, la modalisation et éventuellement le contrôle des phénomènes physiques et chimiques interagissant au sein d’une chambre de combustion permettent non seulement l’amélioration des systèmes actuels mais aussi le développement des nouvelles technologies.
L’approche numérique permet alors de tester un grand nombre de solutions pour ne retenir que les plus pertinentes pour des tests expérimentaux. Diverses études et recherches commencent à étudier sérieusement la combustion dans les moteur à combustion interne (diesel) avec des travaux théoriques et expérimentaux, citons par exemple :
En 1999 R.Younes, A.Liazid, et J.C.Champoissin [24] montré avec des résultats expérimentaux et théoriques l’influence du turbocompresseur à géométrie variable sur l’optimisation de couple consommation/polluants d’un moteur Diesel ID.
En 2001 F.E.Corcine, M.Costa, S.S.Merola, B.M.Vaglieco ont effectué un travail numérique avec KIV A-3 et une investigation expérimentale pour l’analyse de la formation des polluants dans les moteurs diesel. La modélisation des est représentée par le modèle de Zeldovich, la formation des suies par le modèle Hiroyasu, l’allumage par le modèle de Shell, et l’oxydation par le modèle de NSC (Le modèle NSC explique le mécanisme d’oxydation des suies, en anglais Nagle and Strickland-Constable). Les résultats numériques sont en bon accord avec les données expérimentales.
En 2005 T.J.Jacobs et al ont effectué une série d’investigations expérimentales concernant la réduction des émissions polluants ( ), et la consommation du fuel. En variant la durée d’injection et l’EGR. Les résultats sont comparés avec les données d’un diesel conventionnel classique. Les expériences montrent clairement que ces investigations donnent des résultats très intéressants sur la réaction des polluants.

Biocarburant :

Cette revue bibliographique traite des travaux théoriques et expérimentaux antérieurs effectués sur les divers types des biocarburants dominant le secteur des transports dans le monde, ainsi que de leur production et utilisation dans les moteurs diesels.

Huiles végétales :

La première utilisation des huiles végétales en tant que carburant a été testée par Rudolf Diesel, l’inventeur du moteur qui porte son nom. L’intérêt porte a l’utilisation des huiles végétales a continué à se manifester dans différentes régions du monde au cours de la seconde guerre mondiale où l’effort de guerre a crée le besoin de recherche de nouvelles sources d’énergie. Mais, par la suite, la recherche des carburants de remplacement du diesel a été rendue superflue avec l’arrivée de la période de paix et l’abondance relative des combustibles fossiles. Toutefois, dans les années 70, l’augmentation des prix du pétrole de 2 a 12 dollars le baril et la crainte d’une pénurie de carburant ont fait raviver l’intérêt pour des carburants de remplacement y compris les huiles végétales comme carburants dans les moteurs diesel.
De même, dans les dernières années, la production mondiale d’huiles végétales est évaluée à 130 Mt en 2007, alors qu’elle n’atteignait que 86 Mt en 1999 et 101 Mt en 2003. Cette forte progression devrait se poursuivre dans les années puisque les premières estimations donnent des chiffres de production nettement supérieurs à 230 Mt en 2013. Il faut ajouter à ces sources de corps gras, de l’ordre de 20 à 25 Mt de graisses animales. L’huile de palme arrive en tête de la production globale d’huiles végétales (de l’ordre de 30% des huiles produits) devant l’huile de soja dans les dernières années. Les huiles de colza et de tournesol viennent ensuite, avec des volumes voisins de la moitié des deux premières huiles, voir la figure (2.7) [25].
Donc, les biocarburants d’origine végétale pourront constituer un complément sérieux à la fourniture d’énergie dans le secteur des transports. Notons que les biocarburants à base des huiles végétales peuvent être utilisés purs ou en mélange avec gazole.

Table des matières

Remerciement
Dédicace
Résumés
Liste des figures
Liste des tableaux
Nomenclature
Introduction générale
Chapitre 1 : Les moteurs à combustion interne
1.1 Introduction
1.2 Histoire du moteur diesel
1.3 Définition d’un Moteur à Combustion Interne
1.4 Architecture d’un moteur à combustion interne
1.4.1 Organes fixes
1.4.1.1 Bloc –moteur
1.4.1.2 Culasse
1.4.1.3 Carter
1.4.1.4 Cache culbuteur
1.4.2 Organes mobiles
1.4.2.1 Piston
1.4.2.2 Bielle
1.4.2.3 Vilebrequin
1.4.2.4 Arbre à came
1.4.2.5 Soupapes
1.4.2.6 Volent moteur
1.4.2.7 Courroie de distribution
1.4.2.8 Injecteurs
1.4 Classifications des moteurs à combustion interne
1.5.1 Selon le type d’allumage
1.5.2 Selon le nombre de temps (nombre de tours pour faire un cycle complet)
1.5.2.1 4 temps (2 tours/cycle)
1.5.2.2 2 temps (1 tour/cycle)
1.5.3 Selon le type d’injection
1.5.3.1 Injection directe
1.5.3.2 Injection indirecte
1.6 Principe de fonctionnement du moteur diesel
1.6.1 Diagramme indiqué
1.6.2 Comparaison entre moteur Diesel et Essence
1.6.2.1 Fonctionnement
1.6.2.2 Combustible
1.6.2.3 Rendement
1.7 La formation des polluants
1.7.1 Monoxyde de carbone( )
1.7.2 Oxydes d’azote ( )
1.7.3 Hydrocarbures imbrûlés ( )
1.7.4 Hydrocarbures Aromatiques Polycycliques ( )
1.7.5 Particules de suies
1.8 Méthodes de réduction des polluants
1.8.1 Amélioration de la combustion dans les moteurs
1.8.1.1 Réduction de cylindre (downsizing)
1.8.1.2 Turbo Compresseur
1.8.1.3 Système d’injection
1.8.1.4 Recirculation des gaz d’échappement « EGR »
1.8.1.5 Refroidissement de l’air admis
1.8.2 Systèmes de post-traitement
1.8.2.1 Filtres à particules
1.8.2.2 Catalyseurs
1.8.3 Reformulation des carburants : (Les carburants alternatifs)
1.9 Conclusion
Chapitre 2 : Les carburants
2.1 Définition du Carburant
2.2 Différents types de carburants
2.2.1 Carburants solide
2.2.2 Carburants liquides
2.2.3 Carburants gazeux
2.3 Caractéristiques d’un carburant
2.3.1 Pouvoir calorifique
2.3.1.1 Pouvoir Calorifique Supérieur (PCS)
2.3.1.2 Pouvoir calorifique inférieur (PCI)
2.3.2 Masse volumique
2.3.3 Densité
2.3.4 Point éclair
2.3.5 Température d’auto inflammation
2.3.6 Pression vapeur
2.3.7 Densité vapeur
2.3.8 Viscosité
2.4 Indice d’octane
2.5 Indice de cétane
2.6 Propriétés des quelques carburants
2.7 Circuit d’alimentation par carburant
2.7.1 Gazole
2.7.2 Essence
2.8 Recherche bibliographique sur la combustion des carburants
2.8.1 Carburant domestique
2.8.2 Biocarburant
2.8.2.1 Huiles végétales
2.8.2.2 Éthanol et le bioéthanol
2.9 Conclusion
Chapitre 3 : Formulation mathématique
3.1 Introduction
3.2 Equations de l’aérothermochimie turbulente
3.3 Approche de résolution RANS
3.4 Sous mod les physiques
3.4.1 Mod le de Turbulence
3.4.1.1 Modèle de Turbulence k-ε
3.4.1.2 Modèle de Turbulence RNG k-ε
3.4.2 Modélisation du spray
3.4.2.1 Formulation Mathématique
3.4.2.2 Mod les d’atomisation
3.4.2.3 Collision
3.4.2.4 Evaporation
3.4.2.5 Accélération de la gouttelette
3.4.2.6 Interaction Jet- Gaz
3.4.3 Mod le de dégagement de chaleur
3.4.4 Mod le de transfert thermique (Loi de paroi)
3.5 Mod les chimiques
3.5.1 Modélisation de la combustion turbulente
3.5.1.1 Aperçu sur les Mod les de combustion turbulente
3.5.2 Mod le d’Allumage
3.5.3 Modèle de formations des polluants
3.5.3.1 Modèle de formation de NOx
3.5.3.2 Mod le de formation des suies
3.6 Conclusion
Chapitre 4 : Résultats et discussions
4.1 Introduction
4.2 Description du code CFD ‘CONVERGE’
4.2.1 Structure standard de Converge V1.3
4.2.2 Algorithme de calcule de CONVERGE V1.3
4.2.3 Techniques de maillage
4.2.4 Etapes de résolution du probl me
4.3 Spécification du moteur
4.3.1 Spécifique géométrique
4.4 Propriétés physico-chimiques des carburants utilisés
4.5 Maillage
4.6 Conditions initiales et aux limites
4.6.1 Conditions initiales
4.6.2 Conditions aux limites
4.6.3 Choix des modèles de simulation
4.7 Discussion des résultats de simulation
4.7.1 Calage
4.7.2 Pression moyenne
4.7.3 Taux de dégagement de chaleur
4.7.4 Température moyenne du cycle
4.7.5 Formation des gaz polluants
4.7.5.1 Oxyde d’azote
4.7.5.2 Particules de suies
4.7.5.3 Hydrocarbures
4.7.5.4 Monoxyde de carbone
4.8 Contours
4.8.1 Contours de la masse du carburant injecté
4.8.2 Contours de température
4.8.3 Contours de la masse des polluants
4.9 Conclusion
Conclusion générale
Bibliographie

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