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Auteur(s)
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Jean‐Pierre POUILLE : Chef du service combustion‐Dépollution Diesel - Direction de la Mécanique‐Renault
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Le moteur Diesel s’est principalement développé pour des applications industrielles, dans lesquelles il a permis d’utiliser, avec un bon rendement, un carburant rustique et bon marché. La puissance spécifique et la plage de régimes utilisable n’ont pas été des objectifs prioritaires. Cependant, les progrès accomplis sur les petits moteurs Diesel rapides (rendement, performances spécifiques, plage de régimes utilisable, bruit, agrément d’utilisation) en ont fait des concurrents des moteurs à allumage commandé pour les applications automobiles.
Si l’intérêt du diesel sur la voiture particulière réside notamment dans son rendement et, par là, dans son faible coût d’utilisation (le surcoût à l’achat étant en partie compensé par une plus grande longévité), les progrès récents et à venir du moteur à allumage commandé dans les domaines de la consommation et des émissions constituent un défi pour les diésélistes.
Dans le domaine des émissions, ce défi s’avère particulièrement difficile à relever car le moteur à allumage commandé, grâce à sa combustion homogène, n’émet que très peu de particules et peut traiter les émissions gazeuses de HC (hydrocarbures imbrûlés), CO (monoxyde de carbone) et NOx (oxydes d’azote) à l’échappement au moyen d’un catalyseur trifonctionnel dont l’efficacité est de l’ordre de 98 %. Ce catalyseur trifonctionnel favorise simultanément les réactions d’oxydation (HC, CO) et de réduction (NOx ), le moteur à allumage commandé fonctionnant en mélange stœchiométrique (richesse 1). Ce n’est pas le cas du moteur Diesel, qui a toujours besoin d’un excès d’air pour réaliser une bonne combustion, ce qui est favorable pour les émissions de HC et CO, produits en faibles quantités et facilement oxydables par un catalyseur, mais ne permet pas de traiter les émissions de NOx puisque l’on se trouve en milieu oxydant.
En résumé, les principales difficultés rencontrées pour dépolluer les moteurs Diesel concernent la réduction des particules et des oxydes d’azote.
Parallèlement aux efforts prioritaires visant à réduire les émissions et la consommation, le diéséliste doit chercher à accroître les performances spécifiques et à réduire le bruit.
Nous allons décrire la démarche suivie au bureau d’études pour concevoir et dessiner un moteur Diesel, effectuer la mise au point de l’injection et de la combustion, points clés pour relever les défis que nous venons d’évoquer.
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Mise au point expérimentale des moteurs Diesel DI2. Mise au point expérimentale des moteurs Diesel IDI
2.1 Prédéfinition du système d’injection au banc électrique
Il s’agit de déterminer la pompe d’injection et les injecteurs permettant :
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d’injecter le débit demandé en pleine charge pendant une durée d’injection qui ne doit pas être excessive (ne pas dépasser 35 à 40 degrés vilebrequin) sinon on risque de diminuer le rendement et d’augmenter les fumées ;
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d’avoir une durée d’injection aussi longue que possible au ralenti afin de diminuer le bruit ;
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d’optimiser le taux d’introduction (on appelle taux d’introduction le débit instantané injecté, en cm3/s, qui est variable au cours de l’injection) en charge partielle afin d’optimiser le rendement et les émissions de polluants (fumées HC, CO, NOx ) à l’échappement ;
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de contrôler la pression résiduelle dans les tubes haute pression (pression régnant dans ces tubes entre deux injections) afin d’éviter des phénomènes de cavitation (pouvant engendrer des problèmes de tenue en endurance) et des défauts d’agrément de conduite lors des transitoires.
Les principaux paramètres sur lesquels on peut agir sont les suivants :
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diamètre du piston de pompe d’injection ;
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loi de came de la pompe d’injection ;
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loi de débit hydraulique de l’injecteur en fonction de la levée d’aiguille ;
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dimensionnement des clapets et freins de réaspiration à l’entrée des tubes haute pression ;
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dimensionnement des tubes haute pression.
Afin d’optimiser ces différents paramètres vis‐à‐vis des critères cités précédemment, on effectue des essais au banc électrique. Parallèlement à ces essais, il est utile de modéliser le système d’injection avec un modèle hydraulique simple, ce qui permet de gagner du temps dans l’optimisation des paramètres en évitant trop de tâtonnements expérimentaux. Le calcul permet également de déterminer la pression en des points où la mesure n’est pas possible, et de vérifier ainsi, par exemple, qu’il n’y a pas de risque d’apparition de cavitation.
on appelle banc électrique un banc où la pompe est entraînée par un moteur électrique...
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