Les moteurs et le moteur dual-fuel

Les moteurs et le moteur dual-fuel

Architecture d’un moteur Diesel

Il semble utile avant d’aborder le fonctionnement du moteur Diesel de décrire les principaux organes qui le composent. Les parties essentielles du bloc moteur du moteur à allumage par compression sont les suivantes :
Le bloc-moteur et le carter-cylindres est la partie la plus massive, il contient les cylindres et reçoit l’ensemble des organes du moteur : Equipement d’injection, vilebrequin, distribution, auxiliaires Electriques,…etc. Le bloc moteur doit être étanche et robuste afin de résister aux pressions élevées qui règnent dans les cylindres pendant la combustion.
Le moteur Diesel fait partie des moteurs à combustion interne. Ces moteurs comportent une ou plusieurs chambres de combustion, chacune étant délimitée par la culasse (en haut), la chemise du cylindre (surface latérale) et la tête de piston (en bas). Le piston est mobile et son mouvement alternatif est contrôlé par les forces de combustion et d’inertie. La position du piston détermine le volume de la chambre ; ses positions extrêmes sont appelées point mort haut (PMH) et point mort bas (PMB).

Classifications

Le moteur à combustion interne, dispositif qui fournit de l’énergie mécanique par transformation de l’énergie calorifique, libérée par calcination d’un combustible.
Il existe quatre types principaux de moteurs à combustion interne : le moteur à allumage commandé, ou moteur à explosion, le moteur Diesel, le moteur à piston rotatif et la turbine à gaz. De nombreux types de moteurs utilisent le principe de la propulsion à réaction, Voir fusée.
Le moteur à allumage commandé, inventé par le technicien allemand Nikolaus August Otto, est le moteur classique à essence, utilisé pour la propulsion des automobiles et des avions; le moteur Diesel, conçu par Rudolf Christian Karl Diesel, fonctionne suivant un principe différent et utilise du gazole ou de l’huile lourde comme carburant. Ce moteur est utilisé dans les générateurs électriques, la propulsion des navires, des camions et des bus, ainsi que dans certaines automobiles. Le moteur à allumage commandé et le moteur Diesel existent en deux temps ou quatre temps.
Les moteurs diesel sont classés selon le type d’injection et de chambre de combustion qui les équipe. Deux grandes familles de types de combustion existent  :
• L’injection directe, désigne tous les procédés ne comportant pas de fractionnement de la chambre de combustion (l’injecteur pulvérise le combustible directement dans la chambre principale du cylindre).
• L’injection indirecte, regroupant les différentes solutions de chambres de combustion divisées : l’injecteur pulvérise le combustible dans une chambre auxiliaire où a lieu le début de combustion, puis les gaz rejoignant ensuite la chambre de combustion principale à travers un passage ou des canaux de liaison.

Particularités du moteur Diesel

La particularité du moteur Diesel se situe au niveau de l’allumage du mélange air carburant. Le mélange est comprimé jusqu’à ce qu’il dépasse sa température d’auto inflammation. Le moteur Diesel nécessite un rapport volumétrique élevé, de l’ordre de 1/15 à 1/25, pour que cette auto-inflammation puisse se produire. A titre de comparaison, le rapport volumétrique d’un moteur à essence est de l’ordre de 1/5 à 1/10. Ce type de moteur ne nécessite pas d’atteindre des pressions aussi élevées puisque la combustion est initiée par un arc électrique ; on parle donc de moteur à allumage commandé. L’allumage se produit toujours au même endroit, là où la bougie produit l’arc électrique, et le front de flamme se propage progressivement dans la chambre. Les pressions atteintes sont beaucoup plus élevées, et l’inflammation est beaucoup plus brutale dans les moteurs Diesel ; ces moteurs doivent donc posséder une structure massive capable de résister à des forces colossales, ce qui entraîne un coût de production élevé.

Caractéristiques de la combustion diesel

La combustion est à l’origine de la force motrice d’un moteur, c’est à travers elle que l’énergie contenue dans le carburant se libère. Les performances d’un moteur à combustion interne dépendent intrinsèquement de la capacité que génère cette réaction au bon moment et dans les meilleures conditions ; puis de canaliser la puissance qui en dérive. La caractéristique principale de la combustion dans un moteur à allumage par compression, réside en l’introduction du carburant à l’état liquide dans le cylindre rempli d’air chaud fortement comprimé. Selon ce mode opératoire, la combustion revêt un caractère assez complexe. Pour extraire les principaux mécanismes qui la contrôlent, la définition phénoménologique proposée selon est un point de départ adéquat.
On peut définir la combustion comme étant un ensemble de réactions chimiques, généralement de type bien spécifique, constituant globalement une oxydation et donc (fortement) exothermique pouvant entrer en interaction avec certains phénomènes physiques, se manifestant ainsi comme des phénomènes mixtes ou régimes de combustion.

Théorie de base de la combustion

La Combustion est une science pluridisciplinaire (chimie, mécanique des fluides, thermodynamique, modélisation informatique, physique des systèmes dynamiques…).C’est aussi la réaction entre un combustible et l’oxygène pur, l’oxygène dilué (air) ou une espèce chimique riche en oxygène (ozone, peroxyde d’hydrogène, acide nitrique). Réaction chimique globalement et généralement fortement exothermique, autonome, susceptible de s’accélérer brutalement et d’être accompagnée d’émission de rayonnements (visible, procheUV et procheIR).
Le dégagement de chaleur de la réaction de combustion est une expansion rapide du milieu réactionnel ou forte augmentation de pression (jusqu’à l’explosion), Combustion lente (phase du processus qui précède l’éventuelle accélération brutale de la réaction) ou vive (phase du processus débutant avec l’accélération brutale et caractérisée par une vitesse réactionnelle levée, formation d’une flamme).

Formation du monoxyde de carbone (CO)

La formation du CO intervient comme une étape intermédiaire essentielle du processus d’oxydation des hydrocarbures conduisant au produit final CO2. En effet, la vitesse d’oxydation du combustible dépend de la concentration disponible en oxygène, de la température des gaz et du temps disponible laissé aux réactions pour s’accomplir (c’est-à-dire le régime moteur).
Le paramètre principal gouvernant les émissions de CO est la richesse du mélange carburé. En mélange riche, les concentrations en CO augmentent régulièrement avec la richesse ; le défaut d’oxygène entraine une combustion incomplète.
Comme les moteurs Diesel fonctionnent toujours en mélange globalement pauvre (excès d’O2), les émissions de CO y sont nettement plus faibles que celle du moteur à essence.
Toutefois des conditions de charge très élevées peuvent conduire à des émissions significatives de CO, dans la mesure où le mélange avec l’air ne s’effectue pas complètement. Par ailleurs, des blocages de combustion peuvent également conduire à la formation de CO ainsi que d’autres imbrulés.

Aperçu sur les moteurs duel-fuel et leurs développements

Les moteurs dual-fuel ont été utilisés dans un certain nombre d’applications utilisant divers combustibles gazeux en raison de la nature plus propre de leur combustion comparée aux combustibles liquides conventionnels. Le gaz naturel semble être un excellent candidat pour plusieurs raisons. Il a un indice d’octane élevé, et donc, il convient aux moteurs avec des rapports de compression relativement élevés. Il se mélange uniformément à l’air, ayant pour résultat une bonne combustion et une réduction substantielle de certaines émissions polluantes.
De plus, il est possible d’appliquer cette technologie sur des moteurs diesel conventionnels existants sans avoir à faire de grandes modifications.
Des études expérimentales comparant le fonctionnement dual-fuel avec celui en diesel, ont démontré les avantages de cette technique à la fois du point de vue performances qu’émissions. De nombreuses études révèlent que le concept de dual-fuel est une technique prometteuse pour contrôler les émissions de NOx et de suie même sur des moteurs diesel existants. Mais, les émissions de HC et CO ainsi que la consommation sont plus élevés en dualfuel pour les faibles charges .

Table des matières

Introduction générale
Chapitre I : Généralités sur les moteurs et le moteur dual-fuel
I.1. Introduction
I.2. Architecture d’un moteur Diesel 
I.3. Classifications
I.3.1. Moteur à injection directe
I.3.2. Moteurs à injection indirecte
I.4. Principe de fonctionnement du moteur Diesel
I.4.1. Moteurs à cycle quatre temps
I.4.2. Diagramme indiqué
I.4.3. Particularités du moteur Diesel
I.5. Caractéristiques de la combustion diesel 
I.5.1 Définitions
I.5.2 Théorie de base de la combustion
I.5.3. Applications industrielles de la combustion
I.5.4. Caractérisation du mélange carburé
I.5.4.1 Rapports air-carburant et carburant-air
I.5.4.2 Richesse du mélange carburé
I.6. Formation des polluants
I.6.1. Formation du monoxyde de carbone (CO)
I.6.2. Formation des hydrocarbures imbrulés (HC)
I.6.3. Formation des oxydes d’azote (NOX)
I.6.4. Formation des suies
I.6.5. Formation des hydrocarbures aromatiques polycycliques (HAP)
I.7. Présentation des procèdes de réduction des émissions polluantes
I.7.1. la conception de nouveaux moteurs
I.7.2. Recirculation des gaz d’échappement « EGR »
I.7.3. Filtres à particules
I.7.4. Catalyseurs
I.7.5. Utilisation des carburants alternatifs
I.8. Les moteurs dual-fuel
I.8.1. Historique
I.8.2. Principe de fonctionnement
I.8.3. Techniques de combustion dans un moteur dual fuel
I.8.4. Aperçu sur les moteurs duel-fuel et leurs développements
I.8.5. Modes d’injection dual-fuel
I.9. L’utilisation du gaz naturel 
I.9.1. Alimentation en GNV
I.9.2. Mélange du gaz naturel avec d’autres combustibles
I.10. Conclusion
Chapitre II : Equations régissant les écoulements réactifs
II.1. Introduction
II.2. Equations de l’aérothermochimie turbulente
II.2.1. La phase fluide
II.3. Les sous modèles physiques
II.3.1. Modèle de Turbulence RNG k-ε
II.3.2. Modélisation du Jet
II.3.2.1. Formulation Mathématique
II.3.2.2. Modèles d’atomisation
II.3.2.3. Le modèle hybride KH-RT
II.3.2.4. Collision
II.3.2.5. Evaporation
II.3.2.6. Accélération de la gouttelette
II.3.2.7. Interaction Jet-Gaz
II.3.3. Modèle de dégagement de chaleur
II.3.4. Modèle de transfert thermique (Loi de paroi)
II.4. Les Modèles chimiques 
II.4.1. Aperçu sur les Modèles de combustion turbulente .
II.4.2. Le modèle SAGE
II.4.3. Modèle d’Allumage
II.4.4. Formations des polluants
II.4.4.1. Le modèle de formation de NOx
II.4.4.2. Modèle de formation des suies
II.5. Conclusion 
Chapitre III: le code de calcul CFD CONVERGE
III.1. Introduction 
III.2. L’outil CFD 
III.3. Description du code CFD CONVERGE
III.4. Structure standard de CONVERGEV 2.2.0 
III.5. Les fichiers de sortie et d’entrée dans converge 
III.5.1. Descriptions des fichiers d’entrée
III.5.1. Descriptions des fichiers de sortie
III.6. Conclusion
Chapitre IV: Résultats et discussions
IV.1. Introduction
IV.2. Présentation du Moteur MK-DIR620-145 
IV.3. Préparation des calculs par CONVERGEV2.2.0
IV.3.1. Maillage du domaine de Calcul
IV.3.2. Conditions initiales
IV.3.3. Conditions aux limites
IV.3.4. Profil de la vitesse d’injection
IV.3.5. Choix des modèles de simulation pour le moteur diesel
IV.3.6. Description du Mécanisme réactionnel
IV.4 Temps de résolution
IV.5. Investigation de la combustion dans MCI en diesel
IV.5.1 Validation du code
IV.5.2 Evolution de taux de dégagement de chaleur et de température
IV.5.3 Les profils des gaz polluants
IV.5.3 Champs Scalaires
IV.6 Investigation de la combustion dans MCI en mode dual-fuel
IV.6.1. Comparaison des résultats d’un moteur diesel et un moteur dual-fuel
IV.7.Conclusion
Conclusion générale

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