Academic literature on the topic 'Moteurs diesel – Combustion'

Les véhicules diesel ont un rendement énergétique plus élevé, mais ils produisent davantage de particules que les moteurs à essence ordinaires. Il existe deux moyens efficaces de réduire considérablement les émissions de particules du moteur diesel : le filtre à particules, et l’utilisation de biodiesel. En effet, la composition du carburant a un impact direct sur la combustion, et donc sur les émissions de polluants. Une teneur élevée en biodiesel permet de réduire le nombre de particules produites. Plus la quantité de biodiesel dans le carburant mélangé est importante, moins des particules sont émises. Lorsque les technologies de filtre et de biodiesel sont combinées, les émissions de particules sont quasi-inexistantes.

Dans le présent travail, un modèle thermodynamique de combustion à zone unique pour le carburant diesel et le biodiesel a été mis en oeuvre pour prédire la pression du cylindre afin de mieux comprendre la combustion caractéristique des différents carburants testés dans un moteur diesel et d’analyser les performances caractéristiques d'un même moteur fonctionnant avec différents types de carburants. Il s’est agi également d’évaluer les émissions potentielles de ces carburants lors de leurs combustions dans le moteur diesel. L'évaluation du modèle est faite en fonction de la complexité temporelle, de la complexité spatiale et de la précision de la prédiction à l'aide du programme informatique développé sous MATLAB. Les résultats du présent modèle montrent que les évolutions de la pression du cylindre ainsi que la température du cylindre ont été reproduites avec une bonne précision. En outre, la comparaison entre les paramètres de performance simulés et expérimentaux du moteur a montré une bonne concordance. Les resultatas montrent également des réductions des émissions polluantes avec l’utilisation des carburants alternatifs comparés au diesel.

Le travail présenté porte sur la simulation 3D à l'aide du code kiva-ii d'un jet diesel réactif dans une chambre de combustion à volume constant. Tous les éléments de la chaîne de combustion (injection-atomisation, auto-inflammation, combustion turbulente) y sont analyses. Avec l'hypothèse d'atomisation immédiate au nez de l'injecteur, il est montré que le jet polydispersé peut être correctement prédit, à condition que les vitesses d'injection soient surestimées par rapport à la réalité. Le rôle majeur joué par la force de traînée sur l'augmentation du smd a été clairement mis en évidence. Une pdf de taille de gouttes suivant une loi du khi-deux spécifique, proportionnelle à d#3exp(d), a été proposée. Les diagnostics optiques (mesures de granulo-vélocimétrie laser et visualisations en cinématographie ultra-rapide) du jet non réactif confirment les vitesses et diamètres ainsi que la pénétration calculés. Un mécanisme de cinétique chimique de l'auto-inflammation, basé sur un schéma réduit à 16 réactions, décrit les différentes étapes radicalaires avant l'inflammation spontanée (réactions de basse et moyenne température). Le délai d'allumage correspondant a été validé expérimentalement sur des cas tests en 2d. Néanmoins le calage du mécanisme en 3d n'étant pas actuellement suffisamment universel, une réaction globale a été retenue pour la suite. Un modèle de flammelettes, fondé sur le concept de la fraction de mélange z et de son taux de dissipation , a été implanté dans le code 3d. Une bibliothèque créée pour la combustion laminaire du dodécane, permet alors le découplage entre l'aérodynamique turbulente 3d et la cinétique 1d. L'application de ce formalisme en milieu diphasique a nécessité l'introduction de termes sources particulaires, dus à l'évaporation des gouttes, dans les équations de z et de z'#2. Une modélisation du terme source concernant la variance, terme peu étudié, a été proposée. Le code 3d résout alors les équations de z et de z'#2, et une estimation de x est déduite. L'utilisation de ces trois variables et la présomption d'une pdf liée au mélange turbulent, combinées avec la bibliothèque précédemment décrite, fournit alors le taux de réaction moyen.

Une étude expérimentale de l'injection, de l'autoinflammation et du développement de la combustion, a été entreprise au sein d'un cylindre à accès optique d'un moteur diesel à injection directe représentatif de la production. Elle a été orientée vers une approche globale des phénomènes physiques intervenant pendant, et après, l'introduction de la charge dans la chambre. La visualisation de l'injection a permis de mieux cerner l'influence des conditions aérodynamiques et thermodynamiques réalisées dans la chambre, sur la pulvérisation du carburant et sur le devenir des gouttes ainsi formées. Le champ aérodynamique présent dans le bol affecte peu la phase liquide du carburant, excepté dans des cas de relativement faibles vitesses débitantes. Cependant dans un cas d'un système Common Rail, à forte pression, la géométrie des orifices de sorties, et la technologie de guidage de l'aiguille, apparaissent comme les paramètres les plus importants. Les lois régissant la progression du liquide sont alors des fonctions pour lesquelles les conditions génératrices arrivent au premier ordre. La combustion est divisible en quatre phases, qui peuvent se dérouler simultanément à différents endroits de la chambre. L'initiation des réactions montre un spectre très riche et est très fluctuante. Apres leur apparition, les premiers sites grossissent indépendamment. Leur expansion est caractéristique d'une combustion en environnement très réactif, majoritairement prémélangé. La rapidité souligne une inflammation en masse, sans front de flamme établi. Les réactions se communiquent ensuite à l'ensemble de la charge, sans réduction de la vitesse apparente d'expansion. Une phase de convection des zones d'oxydations est enfin notable. Elle souligne le ralentissement de leur progression et le passage en régime de combustion de groupe au sein d'un brouillard de combustible. Vient enfin la phase d'extinction, dont la durée est liée à la qualité avec laquelle le gasoil a été dispersé dans la chambre.

Du fait de leur potentiel pour réduire les émissions polluantes, les stratégies de combustion homogène ont été étudiées sur la base de moteurs Diesel de véhicules industriels. Les stratégies d’injection multiple où seulement une partie du carburant est injectée pendant la phase de compression ont d’abord été étudiées sur moteur monocylindre. La combinaison de cette stratégie avec des forts taux d’EGR a alors permis une réduction significative des émissions jusqu’à la pleine charge du moteur. Dans une seconde approche, des expériences ont été réalisées pour améliorer la formation du mélange pour les stratégies de combustion en pré-mélange total. L’utilisation d’injecteurs à double angle de nappe avec diamètre de trou réduit s’est alors avérée très prometteuse car elle a permis de faire fonctionner le moteur à la limite de la stoechiométrie tout en garantissant de faibles niveaux de suies et de consommation. Un moteur multicylindre bi-mode combinant des stratégies de combustion en pré-mélange et Diesel conventionnelle a enfin été étudié pour prendre en compte les contraintes existant dans de réelles applications moteur. Un travail de simulation a été effectué en support de tous ces résultats expérimentaux. Des simulations Star-CF/RIF ont été réalisées pour analyser les interactions jet-paroi et améliorer la géométrie des chambres de combustion. Des études paramétriques ont également été effectuées avec le code de calcul CHEMKIN pour mettre en évidence l’influence de la cinétique chimique sur les mécanismes de combustion. Dans ce contexte, le modèle une-zone initial a été largement modifié pour ajouter la possibilité de calculs multizone et incorporer des modèles de jet.

L’utilisation des huiles végétales, qui ne sont destinées à la consommation humaine ou animale, comme carburant pour les moteurs Diesel apparaît comme une solution intéressante pour faire face à la raréfaction des énergies fossiles et au réchauffement climatique provoqué par les émissions de gaz à effet de serre. La caractérisation physico-chimique de l’huile d’eucalyptus a montré qu’elle ne peut pas être utilisée directement à l’état pure sur moteur vue sa viscosité élevée et sa mauvaise volatilité. La conversion de cette huile en biodiesel par une réaction chimique de transestérification a permis de rendre ses caractéristiques voisines de celles du gazole et conformes aux normes américaine (ASTM D6751) ou européenne (EN 14214). Une campagne d’essais a été effectuée sur un moteur diesel monocylindre pour l’étude des performances, des émissions et de la combustion du biodiesel préparé et de ses mélanges formulés avec le gazole. Les résultats obtenus ont montré que les biocarburants donnent de performances comparables à celles du gazole avec une réduction significative des émissions d’hydrocarbures, de monoxyde de carbone et de suies à fortes charges du moteur. Un modèle thermodynamique à une zone a été développé pour prédire la pression cylindre et les performances énergétiques (puissance effective, rendement thermique et consommation spécifique de carburant). La confrontation des résultats de simulation à ceux de l’expérimentation a montré une bonne concordance avec une moyenne des erreurs moins de 3%<br>The use of vegetable oils, which are not intended for human or animal consumption, as fuel for diesel engines seems to be an interesting solution to undertake the fossil fuels depletion and the global warming caused by the greenhouse gases emissions. The physicochemical characterization of the pure eucalyptus oil shows that it can not fuelling directly the diesel engine due to its high viscosity and poor volatility. Converting this oil into biodiesel by chemical reaction transesterification has to make its characteristics close to those of diesel fuel and in agreement with American standards (ASTM D6751) and European standrads(EN 14214). A single cylinder diesel engine is used to test eucalyptus biodiesel and its blends with diesel fuel. The engine combustion parameters, performances and exhaust emissions are evaluated. Results show that neat eucalyptus biodiesel and its blends present significant improvements of carbon monoxide, unburned hydrocarbon, and particulates emissions especially at high loads with equivalent performances to those of diesel fuel. A thermodynamic model, based on a single zone combustion model, is developed to predict the cylinder pressure and the engine performances. The predicted results are validated by the experimental ones. A good agreement with experimental results is noted with average errors less than 3%

Les constructeurs automobiles doivent faire face à des normes anti-pollution de plus en plus sévères et dans des délais de plus en plus courts. Les particules émises par les moteurs Diesel font partie des polluants réglementés. Le recours à des outils d'aide à la conception de moteurs devient de plus en plus fréquent et nécessaire. Ce travail s'inscrit dans ce cadre et consiste en un développement d'un modèle de formation et d'oxydation des suies Diesel qui sera intégré dans un code de calcul 3D moteur. La difficulté de la modélisation de la combustion dans de tels codes provient du fait que la structure de la zone réactionnelle est sous-résolue par le maillage. Habituellement, des hypothèses de type flammelettes ou, à l'opposé, de type réacteur homogène sont faites sur la structure de sous-maille. La nouveauté apportée au cours de ce travail est qu'une réponse couplée flammelettes / réacteur homogène est apportée pour décrire la structure de la zone réactionnelle. Le passage d'un modèle à l'autre se fait naturellement via une comparaison entre un temps caractéristique chimique et un temps caractéristique de la turbulence. Ce nouveau modèle est validé dans des configurations simplifiées mais représentatives des conditions thermodynamiques rencontrées dans un moteur Diesel. La structure du nuage de suie calculée par le nouveau modèle reproduit de façon satisfaisante ce qui est observé expérimentalement. Cependant, le manque de données quantitatives ne permet pas de valider complètement le modèle. Ce dernier est également utilisé pour une étude paramétrique sur un moteur Diesel de série. Les tendances sur les émissions de suies mesurées sont bien reproduites par le modèle.

Les normes d'émissions polluantes sont de plus en plus contraignantes et la mise au point des moteurs ainsi que des systèmes de dépollution de plus en plus délicate. Dans cette optique, la modélisation 0D des moteurs Diesel est un outil permettant de prédire les performances en phase stationnaire et transitoire avec un bon compromis entre la vitesse d'exécution et la précision. Les modèles 0D de la littérature ont été comparés à des expériences réalisées sur mono-cylindre Diesel ainsi qu'à des calculs 3D. Puis, trois modèles de complexité croissante ont été mis au point à partir de ces modèles de base : deux modèles de combustion à turbulence simplifiée à une zone (avec et sans délai d'auto-inflammation) et un modèle à turbulence simplifiée multi-zones (ou n-fois une zone) avec sous-modèle de combustion, de pénétration de jet, de vaporisation des gouttes et prise en compte du délai d'auto-inflammation. Les modèles de combustion à turbulence simplifiée montrent un bon accord avec l'expérience notamment en terme de pression dans le cylindre. De plus, le modèle de combustion n-fois une zone permet de décrire localement la vaporisation du carburant et sa combustion. La vitesse d'exécution des modèles permet d'envisager leur utilisation dans les phases de développement de stratégies de contrôle moteur.

La température instantanée des gaz dans la chambre de combustion d'un moteur diesel est un paramètre fondamental des processus de formation des polluants et d'évaluation des pertes thermiques. Sa détermination à partir des mesures de rayonnement nécessite une parfaite connaissance des propriétés radiatives du milieu en combustion. Dans ce cadre, une évaluation rigoureuse de l'émissivité de la suie, fondée sur la théorie de la diffusion de la lumière de mie, a permis de concevoir et développer une méthode susceptible de fournir la température, la concentration et la taille des particules de suie à partir de mesures simultanées de luminance à trois longueurs d'onde. La validation de la méthode a été faite sur une flamme de diffusion laminaire. Elle a ensuite été testée sur deux types de moteur: un moteur expérimental, un moteur industriel. Les essais ont fait ressortir l'importance du délai d'auto inflammation. L'accroissement de ce dernier implique une élévation de la température de combustion et une diminution importante de la quantité de suie produite. Celle-ci apparaît par ailleurs étroitement liée à la charge. Enfin si la taille des particules semble peu sensible aux paramètres de fonctionnement moteur, sa prise en compte en pyrométrie trichromatique apporte une meilleure précision de mesure par rapport aux méthodes traditionnelles. L'ensemble des résultats montre le rôle que peut jouer la méthode proposée dans la recherche des conditions optimales de la combustion.

L'objectif principal de cette thèse était d'étudier la réactivité des suies d'échappement d'un véhicule diesel sous atmosphère oxydante. Les suies diesel présentées ici proviennent de deux lots obtenus sur un même banc moteur. Cette étude s'inscrit dans un projet intitulé " modélisation d'un filtre à particule catalysé " pour lequel plusieurs laboratoires (LTAC Metz, LRS Paris VI et LCA Saint-Avold) associés à Renault SA ont collaboré. Tout d'abord les échantillons de suies ont été caractérisés par diverses techniques analytiques. C'est ainsi que nous avons pu déterminer les caractéristiques structurales et chimiques des suies ainsi que leur comportement thermique. Nous avons aussi mis en évidence l'existence d'interactions entre les suies et les composés adsorbés à leur surface lors de traitement thermique en atmosphère inerte (formation d'une couche carbonée microporeuse). Concernant la réactivité des suies non catalysée sous air, les paramètres cinétiques ont été déterminés grâce à des analyses thermogravimétriques. Quel que soit l'échantillon de suie utilisé, les valeurs obtenues pour la combustion de la matrice carbonée des suies sont proches (Ea = 140-170 kJ. Mol-1, n ~ 0,25, nO2 ~ 0,72). Ni la quantité de fraction organique soluble (FOS), volatile (FOV), ni les inclusions minérales et le traitement thermique ne semblent avoir d'influence sur les paramètres cinétiques de la combustion des suies. L'effet d'un catalyseur de type Pt/ZrO2-CeO2 sur l'oxydation des suies sous air et sous un mélange contenant 10 % d'oxygène et 700 ppm de NO2 dans l'argon a été étudié en thermobalance. En présence de catalyseur, l'énergie d'activation diminue et l'ordre de la réaction par rapport à la masse de suie augmente. Il y a un changement de mécanisme de réaction. Dans le cas de la réaction sous air, il semble que le contact entre les suies et le catalyseur soit nécessaire alors qu'en présence de NO2 le catalyseur est actif même sans contact. Enfin, la formation d'intermédiaires réactionnels (R-NOx) créés lors de la réaction des suies et du NO2 a été mise en évidence par thermogravimétrie. La nature de ces composés a été déterminée par spectroscopie infrarouge en réflexion diffuse en accord avec les résultats de la littérature. Des mécanismes possibles de formation et de décomposition de ces espèces ont été proposés grâce à l'analyse des gaz émis lors de la réaction suies-NO2 et la thermodésorption des R-NOx et R-Ox formés<br>The main objective of this thesis was to study the reactivity of diesel exhaust soot under oxidizing conditions. The two studied diesel soot are collected from the same motor bench. This survey appears in a project titled "modelling of a catalysed diesel particulate filter" in which several laboratories (LTAC Metz, LRS Paris VI and LCA Saint-Avold) had collaborated with an industrial partner (Renault SA). Firstly, the soot samples have been characterized by various analytic techniques in order to determine their structural and chemical characteristics as well as their thermal behaviour. We also put in evidence the existence of an interaction between soot and adsorbed compounds during thermal treatment in inert atmosphere (formation of a microporous carbonaceous layer). Concerning the reactivity of non catalysed soot under air, the kinetic parameters have been determined thanks to thermogravimetric analyses. The values obtained for the combustion of the carbonaceous matrix are near for all soot samples (Ea = 140-170 kJ. Mol-1, n ~ 0. 25, nO2 ~ 0. 72). Nor the quantity of soluble organic fraction (SOF), volatile organic fraction (VOF), the mineral inclusions and the thermal treatment seems to influence the combustion process. The effect of a Pt/ZrO2-CeO2 catalyst on the oxidization of soot under air and under a mixture containing 10 % of oxygen and 700 ppm of NO2/Ar has been studied by thermogravimetry. For the catalysed reaction, the activation energy decreases and the order of the reaction of soot (n) increases. There is a change of reaction mechanism. In the case of the reaction under air, it seems that contact between soot and catalyst is necessary whereas in presence of NO2 the catalyst is active even without contact. Finally, the formation of the reaction intermediates (R-NOx) created during the reaction of soot with NO2 has been put forward by thermogravimetry. The nature of these compounds has been determined by infrared spectrometry in agreement with the literature results. Some possible formation and decomposition mechanisms of these species have been proposed thanks to the analysis of gases obtained during soot-NO2 reaction and the thermodesorption of the R-NOx and ROx formed

Depuis quelques années, des nouvelles méthodes sont apparues pour la mise au point et l'optimisation des chambres de combustion des moteurs d'automobile. Pour compléter les essais au banc moteur de nouvelles motorisations, la simulation numérique des écoulements est ainsi un outil de plus en plus utilise dans le milieu industriel. La thèse porte sur le développement et la validation par l'expérience d'un modèle de calcul de la combustion dans les moteurs diesel. Apres un passage en revue des différentes approches possibles (chapitre 1) de la modélisation de la combustion turbulente, la formulation retenue est présentée. La modélisation adoptée est une formulation dérivée des travaux de Marble et Broadwell (1977) sur le modèle de flamme cohérente. Ce modèle permet de traiter le problème de la modélisation par trois étapes: la modélisation de l'écoulement turbulent (approche k-Ɛ, le calcul des effets cinétiques locaux dans le front de flamme et enfin le calcul du taux de réaction moyen (par l'équation d'évolution de la densité de surface de flamme). Les chapitres suivants sont consacrés d'une part à des aspects théoriques du modèle de flamme cohérente, d'autre part à une application du modèle à la combustion de jets diesel. Le chapitre 2 traite ainsi le cas d'une flamme turbulente de prémélange enflammée par des gaz brules à grande vitesse (flamme pilote de l'ONERA). Des évolutions du modèle ont été testées, en particulier sur la prise en compte de l'effet de l'étirement du front de flamme par l'écoulement moyen et la stabilisation de la flamme par les gaz brûlés. L'implantation de l'équation de densité de surface de flamme dans le code industriel KIVA2 GSM est abordée dans le chapitre 3, dans le cas de la propagation d'une flamme de prémélange dans une chambre de volume constant. Dans le chapitre 4, le modèle de flamme cohérente a trois équations appliqué à la combustion dans les moteurs diesel est décrit en détail, avec en particulier le couplage au modèle de jet diphasique. Le modèle est testé dans le cas de l'inflammation et de la combustion d'un jet de combustible dans une chambre de volume constant. Dans le dernier chapitre, le modèle est appliqué au calcul d'un moteur diesel à injection directe à accès optiques. Les résultats sont comparés avec ceux de la base de données comprenant des grandeurs globales (pression moyenne,) pour plusieurs points de fonctionnement et des grandeurs locales (pénétration du jet dans la chambre de combustion). En dernier lieu, les perspectives de ce travail de recherche sont évoquées: évolutions du modèle de flamme cohérente (équation de densité de surface de flamme, méthodes LES), modélisation et validation plus détaillée des phénomènes d'injection diphasique

Le travail porte sur la modélisation de l'auto-inflammation et de la combustion dans les moteurs Diesel. L'accent est mis sur la prise en compte des effets induits par la turbulence. Seule l'injection de carburant gazeux est considérée. Le mélange turbulent est identifié comme un des paramètres important contrôlant l'auto-inflammation dans les moteurs Diesel alors que les effets turbulents sont en général négligés par les modèles utilisés actuellement dans les codes de calcul moteur. Un nouveau modèle est proposé, dont le développement s'est appuyé sur des résultats de simulations numériques directes (DNS). Il prend en compte le mélange turbulent au travers de la dissipation scalaire et de pdf présumées de la fraction de mélange et d'une variable de progrès de la réaction chimique. Le modèle est validé à plusieurs niveaux. Tout d'abord, il est comparé aux DNS pour des cas de mélange simple. Puis, sa version moyennée est implantée dans le code de calcul KIVA2-MB où son comportement est testé en mono-dimensionnel et comparé à d'autres formulations. Enfin, le modèle est validé par comparaison avec une expérience dédiée d'injection de méthane dans une cellule pressurisée remplie d'air chauffé et permettant l'utilisation de diagnostics optiques.