Les moteurs à combustion interne diesel

Les moteurs à combustion interne diesel

Les moteurs à combustion interne

La propulsion du véhicule est habituellement obtenue au moyen de moteur, à savoir dispositifs mécaniques capables de convertir l’énergie chimique d’un combustible en énergie mécanique. L’énergie chimique du combustible est d’abord convertie en chaleur par la combustion, puis la chaleur est convertie en travail mécanique. En effet, la chaleur produite par la combustion augmente la pression ou le volume spécifique, et grâce à son expansion, le travail mécanique est obtenu. Aujourd’hui, Les moteurs à combustion interne se sont imposés comme moyen de production d’énergie dominant dans le marché mondial, spécialement dans le domaine de transport, et les moteurs diesel sont considérés comme l’un des principales sources de propulsion. Cela est dû aux améliorations substantielles de ces moteurs, l’essentiel est l’amélioration du rendement et la réduction des émissions polluantes. Des avantages remarquables vers le développement des moteurs diesel plus propres a été accompli, ces dernières années, en suivant plusieurs techniques, tel que par exemple l’utilisation du système d’injection moderne, comme moyen de contrôle de l’injection du combustible, la recirculation des gaz, le turbocompresseur …. etc. [1].

Histoire des moteurs à combustion interne Étienne Lenoir, né le 12 janvier 1822 à Mussy-la-Ville, Belgique, décédé le 4 août 1900 à La Varenne-Saint-Hilaire (France), inventeur belge qui a conçu le premier moteur à combustion interne à succès commercial. Le moteur de Lenoir était un moteur à vapeur à double effet converti avec des soupapes à tiroir pour admettre le mélange air-carburant et évacuer les gaz d’échappement. Un moteur à deux temps, il utilisait un mélange de gaz de charbon et d’air. Bien qu’elle n’eût consommé que 4% de carburant en moins, c’était une machine souple et durable (certaines machines étaient en parfait état après 20 ans de fonctionnement continu) et en 1865, plus de 400 étaient utilisées en France et 1 000 en Grande-Bretagne, utilisé pour des travaux de faible puissance tels que le pompage et l’impression. En 1862, Lenoir a construit la première automobile avec un moteur à combustion interne. Il avait adapté son moteur pour fonctionner au carburant liquide et avec son véhicule, a fait un voyage de 10 kilomètres (10 milles) qui a nécessité deux à trois heures. Ses autres inventions comprennent un frein électrique pour les trains (1855), un bateau à moteur utilisant son moteur (1886), et une méthode de bronzage du cuir à l’ozone [2].

Saviez-vous que le mérite du développement du moteur diesel revient à un ingénieur du nom de Rudolf Diesel, qui en 1897, mit au point un moteur à combustion interne dans lequel était utilisée la chaleur due à la compression de l’air pour provoquer l’allumage du combustible. Ce premier moteur diesel est un monocylindre stationnaire et pèse près de 5 tonnes. Il développe chevaux-vapeur et tourne à 172 tours minute (RPM). À ses débuts, plusieurs difficultés techniques liées à la faible résistance des métaux disponibles, au poids, à l’encombrement et la piètre réputation du carburant, ont nui au développement du diesel. En 1910, on installe un premier moteur de ce type sur un petit navire hollandais. Ce n’est que dans les années 1920 que l’on verra apparaître les premiers moteurs diesel sur les camions. Les constructeurs découvrant les avantages de ce dernier sur le moteur à essence, c’est à dire :

Le rendement élevé

Consommation moindre

Carburant moins coûteux

Plus grande robustesse

En Amérique du Nord, les premiers diesels furent utilisés sur des machines, tracteurs, génératrices. En1925, l’union des deux manufacturers de machines agricole’s (The Holt Manufacturing Company and The C.L. Best Tractor Company) a donner naissance à Caterpillar. En 1928, les ingénieurs de la compagnie discutèrent de la possibilité d’équiper un tracteur avec un moteur diesel. Les moteurs disponibles à l’époque ne convenant pas, ils décidèrent alors de construire leur propre moteur diesel. En octobre 1931, Caterpillar introduit le D9900 qui produisit 89 HP à 750 RPM et pesant 2352 kg. Selon les prédictions, il allait révolutionner l’industrie. À cette époque, certains propriétaires de camion qui recherchaient davantage de puissance, d’économie et fiabilité remplaçaient le moteur à essence par un diesel Caterpillar, emprunté d’un tracteur ou acheté à part. C’est en 1939 que Caterpillar introduisit le premier moteur diesel de camion avec le D468. Le six cylindres développaient 90 HP à 1850 RPM et était vendu avec la transmission.

Un autre fabricant majeur a vu le jour à peu près à la même époque : La Cummins Engine Compagnie fut créée le 3 février 1919. Jessie Cycle Cummins, un mécanicien inventeur autodidacte, était convaincu que l’idée de Rudolf Diesel était promise à un bel avenir. Le premier moteur diesel construit par Cummins développait 6HP et était utilisé comme moteur stationnaire par les agriculteurs. En 1929, Jessie Cummins, dans sa détermination de populariser le moteur diesel, construisit un camion équipé d’un moteur diesel qui parcourut les États-Unis pour la modique somme de 11,22$ de carburant. En 1931, un véhicule équipé d’un moteur Cummins diesel établira un record d’endurance sur le circuit d’Indianapolis : 13 535 milles. Impressionnés par l’économie et l’endurance de ce prototype, un petit nombre de camionneurs et propriétaires de flottes commencèrent à remotoriser leurs véhicules avec des moteurs Cummins. Un autre manufacturier majeur verra le jour en 1938, la Compagnie General Motors crée la division GM Diesel. Le second conflit mondial suscite une forte demande pour des moteurs de génératrices, équipements d’aérodromes, de construction de routes, etc. Les ingénieurs proposent un moteur à cycle “2temps” et polyvalent.

Après la guerre, GM développe le marché du camion. En 1957, GM introduit les séries 53 et 71. En 1988 fut introduite la série 60, un nouveau moteur diesel à quatre temps qui est le premier moteur diesel lourd à offrir le contrôle électronique de série. En 1938, Mack deviendra le premier fabricant de camions nord-américains à concevoir et construire ses propres moteurs diesel. En 1953 fut introduit le fameux moteur Thermodyne Diesel à injection directe et en 1967 le Maxidyne qui révolutionnait l’industrie par son économie et surtout par sa courbe de couple et de puissance qui réduisait les changements de vitesse. D’autres constructeurs d’importance ont vu le jour au cours du XXe siècle en Europe et en Amérique du Nord. Parmi ceux-ci, notons VOLVO, RENAULT, M.A.N., MERCEDES, INTERNATIONAL, SCA, PERKINS. Évidemment, le moteur diesel moderne a beaucoup évolué depuis son invention en termes de fiabilité, de puissance et d’économie, mais souvenons-nous que le principe de fonctionnement soit demeuré le même. Pour tous les fabricants, les défis demeurent les mêmes qu’aujourd’hui. Mais au tournant du XXIe siècle, le défi le plus important pour eux est sans doute la diminution des émissions polluantes dans l’atmosphère [3].

Table des matières

Remerciements
Résumé
Listes des figures
Liste des tableaux
Nomenclature
Introduction générale
Chapitre I : Les moteurs à combustion interne diesel
I.1.Introduction
I.2.Histoire des moteurs à combustion interne
I.3.Description générale d’un moteur diesel
I.3.1. Histoire du moteur diesel
I.4.Architecture d’un moteur diesel
I.4.1. Organes fixes
I.4.1.1. Le bloc-cylindres
I.4.1.2. La culasse
I.4.1.3. Carter
I.4.2. Organes mobiles
I.4.2.1. Le piston
I.4.2.2. La bielle
I.4.2.3. Le vilebrequin
I.4.2.4. Volant d’inertie
I.5.Les différents moteurs diesel
I.5.1. Injection
I.5.1.1. Moteur à injection direct
I.5.1.2. Moteur à injection indirecte
I.6.Principe de fonctionnement
I.7.Déroulement de la combustion
I.7.1. Délai d’auto-inflammation
I.7.2. Phase de combustion pré-mélangée
I.7.3. Combustion turbulente
I.7.4. Combustion tardive
I.8.Diagramme indiqué
I.9.Avantages et inconvénients du moteur diesel
I.10. Formation des polluants pendant le processus de combustion dans les moteurs diesel
I.10.1. Hydrocarbures non brûlés HC
I.10.2. Le monoxyde de carbone
I.10.3. Les oxydes d’azote
I.10.4. Les suies
I.11. Paramètres influants sur la combustion et les émissions
I.11.1. Recirculation des gaz d’échappement (EGR)
I.10.2. Tubulures d’admission
I.10.3. Stratégies des systèmes d’injection
I.10.4. Turbocompresseur
I.10.5. Le refroidissement de l’air de suralimentation
I.10.6. Système d’échappement
I.10.7. Le système SCR du moteur TDI CR
I.11.Conclusion :
Chapitre II : Le système EGR
II.1. Introduction
II.2. Principe de fonctionnement
II.3. Les différents types de recirculation des gaz des échappements
II.3.1. Selon le type de recyclage
II.3.1.1. Le recyclage interne « par croisement des soupapes »
II.3.1.2. Le recyclage externe
II.3.2.Selon le système de commande
II.3.2.1. Vanne EGR pneumatique
II.3.2.2. Vanne EGR électrique
II.3.3. Selon la température de l’EGR
II.3.3.1. EGR à froid
II.3.3.2. EGR à chaud
II.4. Avantages et inconvénients de système EGR
II.4.1. Les Avantages
II.4.2. Les inconvénients
II.5. La formule de calcul de l’EGR
II.6. Exemples de technologie de système EGR
II.6.1. Le moteur 1.2l 3 cylindres TDI
II.6.2. Le moteur 2.0l TDI avec 4 soupapes par cylindre
II.6.3. Moteur 1.9 l TDI
II.7.Conclusion
Chapitre III : Formulation mathématique
III.1. Introduction
III.2. Equations de l’aérothermochimie turbulente
III.2.1. La phase fluide
III.2.1.1. L’équation de continuité de l’espèce chimique m
III.2.1.2. L’équation de conservation de la masse totale
III.2.1.3. L’équation de quantité de mouvement
III.2.1.4. L’équation de conservation d’énergie
III.2.1.5. L’équation d’état
III.3. Equtions de l’ecoulement moyen
III.4. Les Modèles physiques
III.4.1. Turbulence
III.4.1.1. Modèle de Turbulence k-ε
III.4.1.2. Le Modèle de Turbulence RNG k-ε
III.4.2. Modélisation du Jet
III.4.2.1. Formulation Mathématique
III.4.2.2. Modèles d’atomisation
III.4.2.2.1. Modèle hybride KH-RT
III.4.2.3. Collision
III.4.2.4. Evaporation
III.4.2.5. Accélération de la gouttelette
III.4.2.6. Interaction Jet- Gaz
III.4.3. Modèle de dégagement de chaleur
III.4.4. Transfert thermique
III.4.4.1. Loi de paroi
III.5. Les Modèles chimiques
III.5.1. Modélisation de la combustion turbulente
III.5.1.1. Aperçu sur les Modèles de combustion turbulente
III.5.2. Modèle d’Allumage
III.5.3. Formations des polluants
III.5.3.1. Le modèle de formation de NOx
III.5.3.2. Modèle de formation des suies
III.6. Le code de calcul CFD ‘CONVERGE’
III.6.1. Structure standard de CONVERGE
III.6.2. Algorithme de calcul de CONVERGE V2.3.0
III.6.3. Techniques de maillage
III.7. Conclusion
Chapitre IV : Résultats et discussions
IV.1. Introduction
IV.2. Présentation du moteur MK-DIR620-145.
IV.3. Maillage
IV.3.1. Conditions initiales
IV.3.2. Condition aux limites
IV.3.3. Profil d’injection de carburant
IV.3.4. Choix des modèles de simulation pour le moteur diesel
IV.3.4. Mécanisme réactionnel
IV.4. Temps de résolution
IV.5. Résultats et discussions
IV.5.1. Validation du code.
IV.5.1. Le Taux de dégagement de chaleur et la température
IV.5.2. Emissions du cycle
IV.5.3. Champs scalaires
IV.6. Investigation numérique sur l’influence de système EGR
IV.6.1. Pression moyenne
IV.6.2. Taux de dégagement de chaleur
IV.6.3. Température moyenne
IV.6.4. Oxyde d’azote
IV.6.5. Particules de suies
IV.6.6. Les hydrocarbures
IV.6.7. Monoxyde de carbone
IV.6.8. Comparaison des contours (NOx/suie)
IV.7. Conclusion
Conclusion générale
Bibliographie
Annexes

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