Bibliographie & annexes
Présentation
En anglais
RÉSUMÉ
Dans un moteur Diesel, le temps disponible pour vaporiser le carburant injecté et le mélanger à l'air est très court et ce point reste le plus problématique au moment de la conception. En réponse à cette difficulté, les diésélistes s’efforcent d'accélérer la vitesse de mélange entre le carburant et l'air, en augmentant par exemple la pression d'injection ; de très fines gouttelettes de carburant sont projetées à grande vitesse (plus de 400 m/s) dans la chambre. Cet article expose l’approche de conception des culasses de moteurs Diesel IDI (à préchambre) contre celle des culasses de moteurs Diesel DI (à injection directe) : du cahier des charges, aux contraintes, en détaillant les aspects techniques à solutionner, en termes de dimensionnement, circuit ou commande.
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In a diesel engine, the time available for vaporizing the injected fuel and mixing it with air is very short, which continues to be the greatest design problem. In response to this difficulty, diesel specialists are attempting to accelerate the mixing rate of fuel and air, for example; by increasing the injection pressure: very fine droplets of fuel are projected at high speed (over 400 m/s) into the chamber. This article describes the design approach to IDI diesel engine cylinder heads (with prechamber) as opposed to those of the Diesel DI (with direct injection) engines cylinder heads, with regard to: specifications, constraints, the details of the technical aspects to solve, in terms of gaging, circuit and control.
Auteur(s)
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Jean-Pierre POUILLE : Directeur de la Division Moteurs-Lubrifiants - ENSPM Formation Industrie – IFP Training
INTRODUCTION
La difficulté principale rencontrée lors de la mise au point d'un moteur Diesel réside dans le très bref laps de temps disponible pour vaporiser le carburant injecté et le mélanger à l'air. Or une combustion dans un milieu hétérogène comportant des zones riches en carburant produit inévitablement des fumées et un ralentissement de la combustion néfaste au rendement.
Les diéselistes se sont donc, de tout temps, efforcés d'accélérer la vitesse de mélange entre le carburant et l'air. Le moyen le plus efficace est d'augmenter la pression d'injection, d'où la création de très fines gouttelettes de carburant (diamètres de l'ordre de 10 à 15 μm) projetées à grande vitesse (plus de 400 m/s) dans la chambre. On améliore encore le mélange en créant dans cette dernière un mouvement de rotation de l'air dans le cylindre, baptisé « swirl » en anglais, grâce à une forme appropriée des pipes d'admission.
En injection directe, le carburant est injecté radialement dans le « bol » creusé dans le piston à partir d'un nez d'injecteur placé vers le centre de ce bol, par plusieurs jets, dont le nombre est couramment compris entre 5 et 8.
Cette disposition a été développée sur de gros moteurs industriels, mais s'est heurtée à des difficultés dans le cas de petits moteurs d'automobiles. Sur ceux-ci, du fait des faibles dimensions de la chambre, les jets de carburant percutaient les parois de la chambre et se recouvraient les uns les autres, créant des zones riches qui brûlaient mal.
Les motoristes se sont alors orientés vers un autre principe de mélange entre le carburant et l'air : l'injection indirecte, dans laquelle le carburant est injecté dans une préchambre reliée au cylindre par un canal de transfert (chambre de turbulence Ricardo) ou plusieurs orifices de communication (chambre de précombustion Mercedes). Cela crée une aérodynamique puissante qui active le mélange air-carburant sur une large plage de régimes, avec un injecteur à un seul trou (injecteur à têton), sans nécessiter de très hautes pressions d'injection (400 à 500 bar).
Mais cette aérodynamique puissante présentait aussi des défauts liés pour beaucoup à l'accroissement du coefficient d'échange thermique aux parois :
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difficultés de démarrage à froid ;
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rendement moins bon ;
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nécessité d'un radiateur de refroidissement plus volumineux ;
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limitation des performances spécifiques, à cause de l'accroissement des contraintes thermomécaniques dans les matériaux des pistons et de la culasse.
Les progrès dans les systèmes d'injection ont permis, dans les années 1990, de développer des moteurs Diesel à injection directe pour l'automobile, avec des pressions supérieures à 1 300 bar, et jusqu'à 1 600 bar en 2007. Les performances spécifiques, qui étaient limitées à environ 45 kW/L avec les moteurs à préchambre, dépassent 65 kW/L en injection directe. Une puissance spécifique élevée permet de faire ce que l'on appelle du « downsizing » : un niveau de performances donné est réalisable avec un moteur de cylindrée plus faible ayant moins de frottements internes, d'où une consommation plus faible. Les moteurs Diesel actuels, pratiquement tous suralimentés par turbocompresseurs, ont d'autre part des couples à bas régime très élevés (180 N.m/L, contre seulement 100 N.m/L sur les moteurs à allumage commandé atmosphériques) qui autorisent l'utilisation de rapports de boîtes de vitesses plus longs : le moteur tourne moins vite et consomme moins.
Le gain de rendement est ainsi de plus de 25 % par rapport à un moteur à allumage commandé. Comme un litre de gazole contient environ 10 % de plus d'énergie qu'un litre de supercarburant, le gain de consommation en L/100 km ressort finalement à plus de 35 %, pour des véhicules de même masse et de performances similaires.
Dans la zone (régime, charge) de meilleur rendement, ce dernier est légèrement supérieur à 40 % pour les moteurs Diesel, contre 32 % pour les moteurs à allumage commandé.
Cela explique le succès de ce type de motorisation en Europe.
Si la consommation constitue un avantage indéniable du moteur Diesel, ce dernier a longtemps été handicapé par le bruit et la difficulté de dépollution en oxydes d'azote et en particules. Les progrès dans ces domaines sont tels que l'on peut maintenant penser à un développement dans des pays qui jusqu'alors ne montraient que peu d'intérêt pour les moteurs Diesel, et qui, crise du pétrole aidant, ne peuvent plus rester insensibles à l'attrait d'une faible consommation en carburant.
Le moteur Diesel a été inventé et développé dans le but d'obtenir un meilleur rendement que les moteurs à allumage commandé, cela reste l'un de ses principaux avantages.
Rudolf Diesel (1858-1913) avait bien compris, à la lecture des publications de 1824 de Sadi Carnot, que le rendement d'un moteur était d'autant meilleur que la détente s'effectuait à partir d'une température plus élevée. Il fallait donc comprimer l'air très fortement avant de réaliser la combustion. Dans son brevet, déposé en 1892, Rudolf Diesel proposait une compression à 250 bar, puis l'introduction de carburant de façon à obtenir une combustion isotherme. Lors de la mise au point de son moteur, il a dû se limiter à des pressions d'environ 35 bar, et s'est rendu compte qu'il était préférable de viser une combustion à pression constante.
Le moteur Diesel a alors été appliqué à des moteurs industriels, et son succès est venu de son excellent rendement, résultat obtenu grâce au fait que le taux de compression et la suralimentation ne sont pas limités par le phénomène de cliquetis propre aux moteurs à allumage commandé.
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Glossaire
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3. Dessin de culasses de moteurs Diesel DI
3.1 Contraintes à prendre en compte pour le dessin
L'architecture de la culasse va être directement impactée par un certain nombre de choix techniques qui devront être connus avant d'entamer le dessin proprement dit : matériau, entraînement de la distribution, commande des soupapes, nombre de soupapes par cylindre, position des collecteurs d'admission et d'échappement, système d'injection, système de décantation des gaz de blow-by. Par ailleurs, le dessin devra se faire en concertation avec celui des autres parties du moteur telles que le carter-cylindres.
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Matériau
En automobile, les culasses sont en alliage léger, avec une composition et une structure métallurgique permettant de limiter le risque de fissuration à haute température. Les avantages de ce matériau sont la légèreté, la coulabilité (formes complexes des noyaux), la facilité d'usinage.
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Compatibilité avec le carter-cylindres
On a vu comment était dimensionné le carter-cylindres : cela impose la disposition des cylindres et des vis de fixation de culasse. Il faut aussi mettre en place, de façon coordonnée avec la conception du carter-cylindres :
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les orifices de remontée de gaz de blow-by, la séparation de l'huile contenue dans ces derniers étant le plus souvent effectuée par un système de chicanes disposées dans le couvre-culasse ;
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les orifices de descente d'huile de graissage de la culasse vers le carter d'huile inférieur.
-
-
Distribution
Les choix techniques suivants doivent être précisés :
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2 ou 4 soupapes par cylindre ; en injection directe, compte tenu du fait de disposer l'injecteur au centre de la chambre, la solution à 3 soupapes par cylindre n'est pas avantageuse, car elle conduit à des sections de passage aux soupapes insuffisantes ;
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1 ou 2 arbres à cames en tête ; l'arbre à cames latéral, encore utilisé sur les moteurs de poids lourds, n'est pas compatible avec les régimes élevés atteints par les moteurs d'automobiles ; en 4 soupapes par cylindre, à quelques exceptions près, 2 arbres à cames sont généralement nécessaires ;
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commande de soupapes par linguets, culbuteurs ou poussoirs, avec ou sans rouleaux, réglage de jeu mécanique ou rattrapage de jeu hydraulique ;
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entraînement...
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Dessin de culasses de moteurs Diesel DI
BIBLIOGRAPHIE
-
(1) - RICARDO - Congrès international SIA, Moteurs Diesel - École centrale de Lyon, 14-15 avril 1993.
-
(2) - MAROTEAUX (D.) - Optimization of injection parameters on an IDI Diesel engine for the reduction of exhaust emissions - SIA 9506A11, Congrès EAEC, Strasbourg, 21-22-23 juin 1995.
-
(3) - HAUPAIS (A.) - Combustion dans les moteurs Diesel - [B 2 700], Machines hydrauliques et thermiques (1992).
-
(4) - ALEXANDRE (A.), TOMASELLI (L.) - Analyse des transferts énergétiques dans les moteurs automobiles (2004). Modélisation thermique des moteurs - [BM 2 901][BM 2 902] [BM 2 903] (2007).
-
(5) - GEOFFROY (B.) - Distribution à soupapes - [B 2 805] (1995).
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(6) - FROMENT (J.-L.) - Moteurs Diesel : injection et chambre de combustion - [BM...
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