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RÉSUMÉ
La caractéristique de la combustion dans les moteurs Diesel est qu'elle s'effectue en milieu très hétérogène, le mélange air-carburant est plus riche au voisinage du jet de carburant, et avec un excédent d'air, d'où la présence d'oxygène dans les gaz d'échappement. Le dimensionnement général d'un moteur de ce type dépend des choix faits pour le système de combustion, qu'il s'agisse d'injection directe ou indirecte, comme la hauteur du piston et du carter-cylindres, le positionnement de l’injecteur et de la bougie, ou la disposition des conduits d’admission dans la culasse. L’aspect le plus problématique dans l’optimisation d’un moteur Diesel reste bien sûr le contrôle des émissions d’oxydes d’azote et de particules.
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-
Jean-Pierre POUILLE : Directeur de la Division Moteurs-Lubrifiants - ENSPM Formation Industrie – IFP Training
INTRODUCTION
Ia mise au point des moteurs Diesel d'automobiles au banc moteur est une phase indispensable pour optimiser les différents compromis à réaliser entre performances, émissions, démarrage à froid, fiabilité, bruit.
La caractéristique de la combustion dans les moteurs Diesel est qu'elle s'effectue :
-
en milieu très hétérogène, le mélange air-carburant dans la chambre étant très riche au voisinage du jet de carburant, d'où la formation de particules de suies ;
-
avec un excédent d'air, d'où la présence d'oxygène dans les gaz d'échappement, ce qui rend très difficile le post-traitement des oxydes d'azote présents dans les gaz d'échappement.
Le contrôle des émissions d'oxydes d'azote et de particules reste donc au cœur de la problématique d'optimisation d'un moteur Diesel. En injection directe, la réduction des émissions de particules demande des trous d'injecteur de petit diamètre, ce qui est contradictoire avec la recherche de performances ; la diminution des émissions d'oxydes d'azote se fait en recirculant à l'admission une partie des gaz d'échappement, ce qui produit une élévation des émissions de particules. L'importance des compromis apparaît ainsi de façon permanente au cours de la mise au point.
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Mise au point expérimentale des moteurs Diesel DI
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1. Mise au point expérimentale des moteurs Diesel IDI
1.1 Prédéfinition du système d'injection au banc électrique
voir aussi à ce sujet l'article [BM 2 585] de J.L. Froment Moteurs Diesel : injection et chambre de combustion (réf. [6]).
Il s'agit de choisir la pompe d'injection et les injecteurs permettant :
-
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 ;
-
d'avoir une durée d'injection aussi longue que possible au ralenti afin de diminuer le bruit ;
-
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, NO x ) à l'échappement ;
-
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 :
-
diamètre du piston de pompe d'injection ;
-
loi de came de la pompe d'injection ;
-
loi de débit hydraulique de l'injecteur en fonction de la levée d'aiguille ;
-
dimensionnement des clapets et freins de réaspiration à l'entrée des tubes haute pression ;
-
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...
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Mise au point expérimentale des moteurs Diesel IDI
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).
-
(6) - FROMENT (J.-L.) - Moteurs Diesel : injection et chambre de combustion - [BM 2 585]...
ANNEXES
Livres et revues
FAYETTE TAYLOR (C.) - The internal-combustion engine in theory and practice - The MIT press, Massachusetts Institute of Technology, Cambridge, Massachusetts.
HEYWOOD (J.B.) - Internal Combustion Engine Fundamentals - McGraw-Hill Book Company.
PISCHINGER (F.) - Verbrennungsmotoren – Vorlesungsumdruc Lehrstuhl für angewandte Thermodynamik - Rheinisch-Westfälische Technische Hochschule Aachen.
WEAVING (J.H.) - Internal combustion engineering : science & technology - Elsevier Science Publishers Ltd.
BACHEX, LALIÈRE, PHULPIN, SWOBODA - Cours de l'École nationale supérieure du pétrole et des moteurs - Institut Français du Pétrole.
SWOBODA (B.) - Mécanique des moteurs alternatifs - Éditions Technip.
BUTY (L.), PETRICENKO (M.) - L'attelage rapide des moteurs rapides : le piston, la bielle, le vilebrequin - Éditions Technip.
GENTILE (D.) - Refroidissement des moteurs thermiques automobiles - C-90-03.
FEFEU (M.) - Ensemble piston-segments-cylindre - C-91-11.
MAREZ (P.) - La combustion dans les moteurs Diesel à préchambre - C-94-08.
Cours du CLESIA (Centre Libre d'Études Supérieures de l'Industrie Automobile) - Société des Ingénieurs de l'Automobile.
LILLY (L.C.R.) - Diesel engine reference book - Butterworth and Co (Publishers) Ltd.
KIRSTEN (K.), POUILLE (J.-P.), SCHULTE (H.), PISCHINGER (F.) - Analyse du processus de combustion des différents systèmes de combustion des moteurs Diesel pour véhicules automobiles - Congrès SIA, Moteurs Diesel, 13 et 14 mai 1987.
IMARISIO (M.) - Étude d'un système de combustion sur moteur Diesel monocylindre rapide à injection directe - Congrès SIA, Moteurs Diesel, 13 et 14 mai 1987.
POUILLE (J.-P.) - La comparaison de la combustion dans les moteurs à essence et Diesel : aspects performances, consommation et émissions - Congrès SIA, Moteurs Diesel, 13 et 14 juin 1990.
ZELLAT (M.), POUILLE (J.-P.) - Modélisation tridimensionnelle de la combustion et de la formation de suie...
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