Soutenance mémoire
Émissions polluantes du biodiesel
L’US Environmental Protection Agency (EPA) (US EPA, 2012), dans un rapport synthétisant les conclusions de nombreuses études sur l’utilisation du biodiesel dans les moteurs diesel de grosse cylindree (heavy-duty), conclut que l’utilisation de biodiesel entraine une diminution importante des emissions de CO, HC, des particules ainsi qu’une augmentation des emissions de NOx et de la consommation de carburant. Les resultats de cette etude concernant les polluants sont representes sur la figure 1.1 tiree de ce rapport. Cette figure montre que, pour le B100 l’augmentation moyenne des NOx constatee dans la litterature est de 10%, que la reduction des emissions de particules et de CO est en moyenne de 48% et la reduction des emissions de HC de 67%. Les variations des emissions polluantes rapportees dans ce rapport sont les variations moyennes rapportees dans la litterature. L’etude se base sur des etudes portant sur des moteurs de grosse cylindree, le comportement des moteurs de faible cylindree tel que celui utilise dans le cadre de cette etude peut-etre legerement different. De plus, les variations constatees varient selon l’origine du carburant employe. L’oxygene contenu dans les molecules de biodiesel ainsi que son indice de cetane plus eleve ameliorent la combustion en reduisant la richesse locale dans la flamme et sont a l’origine de la reduction des emissions de HC, CO et particules (Karra et al., 2008). Pour Choi et Reitz (1999) les faibles concentrations d’aromatiques et l’absence de sulfures generalement observes avec le biodiesel sont a l’origine de la reduction des emissions de particules.
NOx et biodiesel
Dans les moteurs diesel, le monoxyde d’azote (NO) est l’espece d’oxyde d’azote (NOx) majoritaire dans les gaz d’echappement, le dioxyde d’azote (NO2) y est egalement present en concentration plus faible. Dans ce type de moteur, les NOx sont formes par les mecanismes de Zeldovich et Fenimore ??. Le premier, majoritaire dans les moteurs diesel est tres fortement liee a la temperature dans le cylindre et au temps de residence des gaz a haute temperature (Ferguson et Kirkpatrick, 2001). Le second a lieu dans les zones riches en carburant, comme la flamme de diffusion. Une relation inverse a ete demontree entre les NOx produits par le mecanisme Fenimore et les emissions de particules du biodiesel, car il semble y avoir competition pour le CH dans ces deux mecanismes de formation (Hoekman et Robbins, 2012). De nombreuses theories ont ete avancees afin de tenter d’expliquer l’augmentation des emissions de NOx avec le biodiesel, mais aucune ne fait consensus. Il apparait dans la litterature que de nombreux facteurs influencent la variation des emissions de NOx avec le biodiesel par rapport au diesel et que c’est l’ensemble de tous ces facteurs qui conditionne la variation observee dans les emissions. Certaines proprietes intrinseques du carburant comme la quantite d’oxygene qu’il contient ou le degre d’insaturation de la molecule sont par exemple reputes avoir une influence sur les emissions de NOx. En ce qui concerne les parametres moteurs, l’influence de la charge a ete observee, des cas de diminution des NOx ont deja ete constates a faible charge. Ce dernier resultat va a l’encontre de la tendance generale d’augmentation des emissions d’oxydes d’azote avec l’augmentation de la concentration de biodiesel dans le diesel. Cependant, ce n’est pas un cas isole puisque seulement 85% des etudes rapportent une augmentation des NOx avec l’utilisation de biodiesel (Hoekman et Robbins, 2012). De plus, les variations des emissions en fonction du melange ne sont pas lineaires. Il ressort de l’etude de Karra et al. (2008) que l’augmentation des NOx en utilisant du B20 par rapport au B0 est tres faible, ces resultats sont confortes par le rapport de l’US EPA (2012).
Stratégies d’injection
L’apparition des rampes communes d’injection directe haute pression sur les moteurs de faible cylindree, au debut des annees 1990, a permis le developpement des nouvelles strategies d’injection. Cette generation de systeme d’injection utilise des pressions d’injection plus elevees. De plus, le pilotage electronique permet une modification beaucoup plus aisee des parametres d’injection en comparaison avec les anciens systemes d’injection mecanique. Il est ainsi devenu possible de faire varier l’avance a l’injection, puis de faire plusieurs injections par cycle. Certains systemes d’injection modernes sont capables de produire huit injections distinctes par cycle (Fiat). La litterature s’interesse principalement aux strategies doubles et triples. En injection double, la repartition du carburant entre les deux injections permet de classer ces strategies en trois categories : l’injection pilotee, l’injection split et l’injection post. Dans la premiere strategie, la plus grande partie du carburant est injectee lors de la deuxieme injection, dans la deuxieme strategie, le carburant injecte est equitablement reparti entre les deux injections et dans la derniere strategie, la premiere injection est celle qui contient le plus de carburant. L’avance a l’injection quantifie le moment de l’injection dans le cycle, c’est le decalage angulaire entre la position du vilebrequin au debut de l’energisation de l’injecteur et sa position au point mort haut (PMH) exprimee en degres avant le point mort haut (DAvPMH). Une avance a l’injection negative correspond donc a un debut de signal d’injection apres le PMH et une avance a l’injection positive a un debut d’energisation de l’injecteur avant le PMH. Ainsi plus l’avance a l’injection, exprimee en DAvPMH, est faible, plus l’injection se produit tard dans le cycle. L’impact de la modification de la pression d’injection et de l’avance a l’injection, ainsi que celui de l’emploi des strategies d’injection multiple et en particulier de la strategie d’injection double pilotee ont fait l’objet de quelques etudes. Leurs conclusions sont rapportees dans les paragraphes suivants.
Injection double pilotée
Le but de cette section est de presenter les resultats de plusieurs etudes conduites en injection pilote avec du diesel, afin de servir de base pour les tests de cette etude, puisque c’est cette strategie qui sera utilisee pour les tests de la presente etude. Cette strategie permet de reduire les emissions de NOx ainsi que le bruit de combustion (Mohan et al., 2013). Dans une etude experimentale conduite sur un moteur 1,2L quatre cylindres Ford alimente au diesel pur et dans des conditions proches de celles de la presente etude Chen (2000) etudie l’impact de differentes strategies d’injection multiple et des parametres d’injection. Les resultats suivants ont ete demontres au sujet de l’utilisation de l’injection pilote. Les emissions de NOx diminuent avec l’augmentation de l’intervalle entre les deux injections et les emissions de particules admettent un maximum lorsque cet intervalle est de 30 degres. L’avance a l’injection pour l’injection principale lors de l’emploi d’une injection pilote doit etre retardee jusqu’a la plage -6 a -10 DAvPMH ; pour cette avance, une reduction simultanee des NOx et des particules est observee. Enfin, la reduction de la quantite de l’injection pilote induit une reduction des emissions de NOx. La difference principale avec la presente etude est l’utilisation de recirculation des gaz d’echappement (RGE), ce qui a un impact certain sur les emissions polluantes et permettra d’expliquer les eventuels desaccords sur les tendances. L’etude de Tow et al. (1994) est une reference incontournable dans le domaine de l’injection multiple dans les moteurs diesel.
L’etude experimentale a ete conduite sur un cylindre d’un moteur diesel Caterpillar de grosse cylindree. Il a ete montre dans cette etude que les emissions de NOx sont correlees a l’avance a l’injection et a la quantite de carburant dans la premiere injection dans le cas des strategies doubles. Les avances tardives et les injections pilotes courtes permettent d’obtenir les plus faibles emissions de NOx. L’interet principal des strategies d’injection doubles et triples est qu’elles permettent de retarder l’injection de la principale sans augmentation des emissions de particules. Parmi les etudes precedentes, l’une conduite sur un moteur de faible cylindree dans des conditions proches de celles de la presente etude, hormis pour la RGE, (Chen, 2000) et l’autre conduite sur un moteur de grosse cylindree (Tow et al., 1994) s’accordent sur l’interet de la reduction de la quantite de carburant dans l’injection pilote. Cette strategie a egalement ete recommandee par Plamondon (2014) dans une etude precedente sur le meme montage experimental que la presente etude. De plus, la possibilite de retarder l’injection principale en injection double ressort egalement de ces deux etudes. Cependant, seules les emissions de NOx, de particules et la consommation du carburant y ont ete etudiees.
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Table des matières
INTRODUCTION
CHAPITRE 1 REVUE DE LITTÉRATURE
1.1 Le biodiesel
1.1.1 PCI et indice de cétane
1.1.2 Influence des propriétés du biodiesel sur le système d’injection
1.1.3 Émissions polluantes du biodiesel
1.1.4 NOx et biodiesel
1.2 Stratégies d’injection
1.2.1 Pression d’injection
1.2.2 Avance à l’injection
1.2.3 Injection double pilotée
1.2.4 Autres stratégies d’injection
1.3 Utilisation simultanée du biodiesel et des stratégies d’injection multiple
1.4 Conclusion du chapitre
CHAPITRE 2 MONTAGE ET CONDITIONS EXPÉRIMENTALES
2.1 Description du banc d’essai moteur
2.2 Mesure des émissions polluantes et de particules
2.3 Point de référence
2.4 Système gravimétrique de mesure de la consommation de carburant
2.4.1 Description et fonctionnement du système
2.4.2 Poussée d’Archimède
2.4.3 Incertitude de la mesure
2.5 Disparités entre les cylindres
2.6 Système d’injection
2.7 Plan expérimental
2.8 Présentation des carburants testés
CHAPITRE 3 POST-TRAITEMENT DES DONNÉES
3.1 Introduction
3.2 Données utilisées
3.2.1 Volume
3.2.2 Pression du collecteur d’admission
3.2.3 Pression
3.2.4 Pression moyenne effective indiquée
3.3 Calcul du dégagement de chaleur
3.4 Calcul de la FMB
3.5 Hypothèses
3.6 Rapport des capacités thermiques
3.7 Gaz résiduels et courtcircuités
3.8 Pertes et transfert thermique
3.9 Élimination du bruit du signal de pression cylindre
3.10 Sources d’erreurs dans les données
3.10.1 Incertitude des données de pression
3.10.2 Incertitude PMH
3.10.3 Incertitude capteur MAP
3.11 Comparaison au modèle simple
3.12 Conclusion du chapitre
CHAPITRE 4 INJECTION SIMPLE : RÉSULTATS ET ANALYSE
4.1 Consommation de carburant
4.2 Monoxyde de carbone
4.3 Hydrocarbures imbrûlés
4.4 Formaldéhydes
4.5 Dioxyde de carbone
4.6 Oxydes d’azotes
4.7 Émissions de particules
4.8 Dégagement de chaleur
4.9 Température dans le cylindre
4.10 Conclusion du chapitre
CHAPITRE 5 INJECTION MULTIPLE : RÉSULTATS ET ANALYSE
5.1 Effet de l’avance à l’injection
5.2 Effet de la répartition du carburant entre les injections
5.3 Effet du temps entre les injections
5.4 Résultats de la configuration d’injection double optimisée
5.4.1 Comparaison des points optimisés en injection simple et en injection double
5.4.2 Comparaison des différents carburants en injection double
5.5 Conclusion de ce chapitre
CONCLUSION
RECOMMANDATIONS
BIBLIOGRAPHIE
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