Detection Des Defaut Dans Injection Diesel

Facult des Sciences de lIngnieur

Dpartement de llectronique

MEMOIRE

Prsente en vue de lobtention du diplme de Magister

Intitul :

Dtection des dfauts dans le systme decombustion dun moteur Diesel

Prsident : Lakel Rabah M.C U. ANNABA

Directeurs de mmoire : Abassi Hadj Ahmed Pr. U. ANNABA

Examinateurs : Otmani Abbass M.C U. ANNABA

Invit : Lafifi Mouhamed Mourad Dr. U. ANNABA

Rpublique Algrienne Dmocratique Et Populaire

UNIVERSITE BADJI MOKHTARANNABA

OptionAutomatique Industriel

Prsent par :Labed Fayal

Anne : 2007

Ddicaces

Je ddie ce travail :

Mes chers parents qui mont beaucoup aid,

mes frres et surs.

mes Collgues de LABO

A toute la famille et les amis

L. fayal

Remerciements

Le plus grand Merci tout dabord revient Dieu qui, lui seul, nous

a guid dans le bon sens durant notre vie et qui nous a donn le courage, la

volont, et la force pour laborer ce travail de recherche.

Laboutissement de ce travail de mmoire a t possible grce la

collaboration dun groupe de personnes, auxquels je dois exprimer mes

remerciements.

Je tiens tout dabord remercier Mer H.A. Abbassi Pr. au dpartement

d'lectronique pour mavoir permis minscrire au magister sous sa

direction, ainsi pour la confiance quil ma accord tout le long de ce cycle.

Ma gratitude sadresse galement Mer M..M Lafifi Dr. au dpartement

d'lectronique de mavoir propos ce sujet et mavoir guid tout au long de

cette priode, aussi pour le temps prcieux quil ma accord et pour mavoir

secou quand il le fallait. Javoue que jai toujours attendu avec une grande

impatience ses remarques. Les nombreuses discussions que nous avons eues

sur le diagnostic et les mthodes de dtection des pannes.

J'exprime mes profonds remerciements et tous mes respects

Monsieur Mer R. Lakel M.C au dpartement d'lectronique, pour avoir bien

voulu accepter de prsider ce jury.

Je remercie Mer A. Othmani M.C au dpartement de mcanique. Davoir

accepter dexaminer ce mmoire et dtre membre du jury.

Rsum

D'aprs le dveloppement du monde actuel de motorisation des voituresle moteur Diesel injection directe rampe commune devient le moteur le plusrcent et le plus fiable, par l'utilisation de l'lectronique embarqu (calculateurdinjection, calculateur de freinage...)

Lemploi gnralis de ces nouveaux systmes se justifie par la ncessitde matriser le comportement du moteur avec comme objectif de raliser un boncompromis entre les missions de polluants, la consommation de gasoil et lesperformances souhaites par le client. Pour cela on va passer en revue lescaractristiques et les spcifications de ce nouveau moteur, et une brvereprsentation de diffrents capteurs et actionneurs du moteur.

Ensuite nous allons voir les diffrents modles physiques existant dans lalittrature pour la modlisation du moteur Diesel injection directe rampecommune avec turbocompresseur gomtrie variable quip de systme dercirculations des gaz dchappement.

Nous avons utilis une approche neuro-floue pour l'identification desparamtres des multi modles, ainsi des modles locaux linaires sont obtenus.Nous passons ensuite ltude de structure de dtection de pannes. Notre choixsera orient vers lapproche despace de parit et celle des observateurs. Il seraalors question de gnration de rsidus tenant compte des dfauts capteurs,actionneurs, et systme. Une tude en simulation est faite sur cette partie enmettant en vidence lapparition de pannes sur lensemble du systme.

Lanalyse des rsultats en simulation est encourageante.

Abstract

According to the development of the current world of motorization of thecars, the Diesel engine with direct injection with common rail becomes the mostrecent engine and most reliable, by the use of embedded electronics (calculator ofinjection, calculator of braking...)

The generalized of these new systems is justified by the need for controllingthe behaviour of the engine with an objective of carrying out a good compromisebetween the emissions of pollutants, the consumption of gas oil and theperformances desired by the customer. For that one will review the characteristicsand the specifications of this new engine, and a short representation of varioussensors and actuators of the engine.

Then we will see the various physical models existing in the literature for themodelling of the Diesel engine with direct injection with common rail withturbocompressor of variable geometry equipped with system of recirculation ofexhaust gases.

We used a neuro-fuzzy approach for the identification of the parameters ofthe multimodel, so some linear local models are obtained. We pass then beingstudied of structure of detection of breakdowns. Our choice will be directedtowards the approach of space of parity and that of the observers. It will be then aquestion of generation of residues taking account of the defects sensors, actuators,and system. A study in simulation is made on this part by highlighting theappearance of breakdowns on the whole system. The analysis of the results insimulation is encouraging.

.

(... )

.

.

.

. .

. .

.

SignificationAbrviationSymbole

Exhaust Gas RecirculationEGR

Recirculation des gaz d'chappementRGE

Rapport Cyclique dOuvertureRCO

Dioxyde de CarboneCo2

Monoxyde de CarboneCo

Hydrocarbures imbrlsCH

Oxydes d'azoteNOx

EauH2O

pression moyenne effectivepmeVariable de la gomtrique de laturbineVariable Geometry TurbineVGT

Non linaire Auto-Rgressive moyenne mobileNo linier Auto-Regressive exogenousNARX

Signaux Binaire Pseudo AlatoireSBPA

Multi modle linaire localeLocal linier model treeLOLIMOT

Diagnostic et Dtection des PannesD.D.P

Refroidisseur dAir de SuralimentationRAS

Le rseau adaptatif neuro-flouAdaptive Neuro-Fuzzy Inference SystemANFIS

ThermistanceCoefficient de Temprature NgatifCTN

Haute pressionHPTurbo Diesel InjectionTDI

Diesel Turbo InjectionDTI

Cheval vapeurCV

Turbo Diesel Direct InjectionTDDI

Commons rail Direct InjectionCDIDiesel Commons rail InjectionDCI

IIntroduction gnrale 1

Chapitre 1 Les moteurs diesel 41-11-21-31-3-11-3-21-3-31-41-4-11-4-21-4-31-4-41-51-5-11-5-21-5-2-a1-5-2-a-11-5-2-a-21-5-2-a-31-5-2-a-41-5-2-a-51-5-2-b1-5-2-c1-5-2-c-11-5-2-c-21-5-2-d1-5-2-d-11-5-2-d-21-5-2-d-31-5-2-d-41-5-2-f1-5-2-f-11-5-2-f-21-5-2-f-31-5-2-f-41-5-2-g1-5-2-h1-5-2-i1-5-2-j

IntroductionRappel historique du moteur dieselLes types de moteur dieselMoteurs injection indirecteLes Moteurs injection directeMoteurs rampe commune et Injecteur PompeComment a marche le moteur dieselLe principeLes temps de la combustionLe dmarrage d'un moteur Diesel:Le cycle du Diesel :Larchitecture des moteurs DieselFonctionnement du systme;Les lments principaux du systme :Les injecteursFonctionnementCommande de l'injecteurLa pr-injectionL'injection principaleLa post-injectionLa rampe commune haute pressionDispositif de dmarrage froidBougies de prchauffageFonctionnementTurbo et CompresseurCompresseurTurboLe principe de fonctionnement de turbocompresseurIntercooler (ou refroidissement air/air)La pompe Haut pressionPhase remplissagePhase refoulementPrincipe de fonctionnement ou dmarrageLa pompe de transfertCollecteur d'admissionchangeur thermique intermdiaireEGR ou RGE (Rcirculation des gaz d'chappement)Collecteur d'chappement

5666891111121314141516161617171717171919191920202021212222222222222323

II

1-5-31-5-3-a1-5-3-b1-5-3-c1-5-3-d1-5-3-e1-5-3-f1-5-3-g1-5-3-h1-5-3-i1-5-3-j

1-5-3-k1-61-71-7-11-7-21-8

1-8-11-8-21-9

Les diffrents capteursLe capteur de rgime vilebrequinLe capteur de phaseLe transducteur de pdale dacclrateurLe capteur de temprature de liquide de refroidissementLe capteur de pression de suralimentationLe capteur de temprature du carburantLe capteur de pression de la rampe sphriqueLes capteurs de temprature dair dadmissionLe capteur de pression atmosphriqueLe dbitmtre dair film chaud et le capteur de tempraturedair dadmissionLe capteur de vitesse du vhiculeCalculateur de gestion moteurLes missions polluantesLes missions du moteur dieselLvolution de la lgislation sur les missions polluantesComparaison entre le moteur diesel injection direct rampecommune et le moteur essenceAvantages du moteur dieselInconvnientsConclusion

2323242424252525262626

272728282930

303030

Chapitre 2 Modlisation du moteur diesel 312-12-22-32-42-4-12-4-23-4-33-4-3-a3-4-3-b3-4-3-c3-4-43-4-53-4-62-52-5-12-5-22-5-32-62-72-82-9

Modlisation du systmeModle de la dynamique de l'airModle de collecteur dadmissionMoteur suraliment par turbocompresseurCaractristiques fonctionnellesPuissance de compressionUtilisation de lnergie des gaz dchappementDtente des gaz dchappement et puissance de la turbineRendement de la turbineDrivation des gaz de turbine ( wastegate)Acclration du moteur suraliment par turbocompresseurTurbine gomtrie variableRefroidissement de lair dadmissionLes dbits massiquesDbit dair dadmissionsDbit dair travers llectrovanne EGR Dbit dair dchappementLa dynamique du vilebrequinLa dynamique du gasoilLe modle final de simulation du moteur Diesel:Conclusion

323333353535363637373838393939404141414242

Chapitre 3 Identification des multi modles 43

3-13-23-3

IntroductionL'architecture du rseau neuro-flou lANFIS :Utilisation du rseau de neuro-flou pour la linarisation du

444648

III

3-43-53-63-6-13-6-23-73-8

modleLOLIMOT "local linear model trees"Architecture du ModleAlgorithme d'identificationL'estimation des paramtresAlgorithme de dcomposition par accroissementLes rsultats d'applicationConclusion

48495050535560

Chapitre 4 Gnration des rsidus 61

4-14-24-2-14-2-24-2-34-2-44-2-54-2-64-2-74-34-3-14-3-24-3-34-3-3-a4-3-3-b4-3-3-c4-3-3-d

4-44-54-5-14-5-24-5-34-5-44-5-4-a4-5-4-b4-5-54-64-6-14-6-24-6-34-6-44-7

IntroductionConcept de baseDfinition dune panneLa dtectionLe diagnosticSupervisionSurveillanceDfautNotion de redondanceL'espace de paritIntroductionEspace de parit statiqueEspace de parit dynamiqueVecteur de parit gnralisRelations d'auto-redondanceRelations d'intre-redondanceEspace de parit robuste avec dcouplage parfait desentres inconnuesEspace de parit dun systme reprsent par multi modleMthode de conception dun multiobservateurAffectation des valeurs propres dun multiobservateurConception dun multiobservateur entres inconnuesMatrices dinfluence dentres inconnues identiquesConvergence globale du multiobservateurMthode de rsolutionPlacement de plesEstimation des entres inconnuesDtection des pannes par banc dobservateurDtection par observateur uniqueDtection par un banc dobservateursDtection par observateur gnralisDtection de dfauts actionneursConclusion

6264646464646464646565666868697070

727475767678787980818181828383

Chapitre 5 Simulations et dtections des pannes 84

5-15-2

Introduction :Dtections des pannes capteur par lespace de parit

8585

IV

5-35-45-55-65-75-8

Dtections des pannes capteur par lespace de paritDtections des pannes capteur par banc dobservateurCas dune panne actionneurEstimation des entres inconnuesCration dune interface de simulationConclusion

9094109122123123

Conclusion gnrale 124

VFigure Titre Page

1-11-21-31-41-51-61-71-81-91-101-111-121-131-141-151-161-171-181-191-201-211-221-231-241-251-261-27

1-281-29

Schma d'un moteur diesel injection directLes structures des prchambres de combustionLinjection directeInjecteur piezo de SiemensL'admission d'airLa compression d'airL'explosionL'chappement:Architecture dun moteur diesel rampe communL'injecteur diesel rampe communLa rampe commune haute pressionLa rompe commune de type sphriqueLe limiteur de dbitBougie de prchauffageTurbocompresseurPompe haute pression et pompe de transfertL'lectrovanne EGRCapteur de vitesse du moteurCapteur de phaseCapteur d'acclrationCapteur de temprature de liquide de refroidissementCapteur de pression de suralimentationCapteur de temprature du carburantCapteur de pression de la rampe sphriqueCapteur de temprature d'air d'admissionCapteur de pression atmosphriqueLe dbitmtre dair film chaud et le capteur de temprature dairdadmissionCapteur de vitesse du vhiculeLes missions du moteur diesel

578101212121315161718181920212323242424252525262626

2729

2-1

2-22-3

Installation d'un turbocompresseur sur un moteur Automobile(schmatis par Renault)Schma simplifie du moteur diesel avec llectrovanne EGR Turbine gomtrie variable ailettes pivotantes

32

3338

3-1

3-2

(a) Raisonnement floue ;(b ) quivalent ANFIS Structure du rseau neuro-floue du modle linaire localavec M neurones pour le nx LLM d'entres X et nz fonctions devalidit d'entres z

46

49

VI

3-3

3-43-53-63-7-a

3-7-b

Opration de la structure dalgorithme LOLIMOT de recherchedans les quatre premires itrations pour un espace bidimensionneld'entre (p = 2)Les entrs de systmeLes tats de systmeDcomposition d'espace d'entre par LOLIMOT Les sorties du systme avec lestimation par Le modle identifipar LOLIMOT Les sorties du systme avec lestimation par Le modle identifipar LOLIMOT

54

55565757

58

4-14-24-34-54-64-7

Demain des valeursRgion des valeurs propreDtection par observateur uniqueDtection par banc dobservateurDtection par observateur gnralisDtection par observateur entre inconnue

757681828283

5-1

5-2

5-3

5-4

5-55-65-75-85-95-105-115-125-13

5-14

5-15

Signaux des sorties rels du systme et des sorties du capteur ainsique les rsidus gnr par les quations dauto redondance delespace de parit en absence de bruit de mesureSignaux des sorties rels du systme et des sorties du capteur ainsique les rsidus gnr par les quations dauto redondance delespace de parit en prsence de bruit de mesureSignaux des sorties relles du systme et des sorties du capteurainsi que les rsidus gnr par les quations dauto redondance delespace de parit cas panne capteur de vitesseSignaux des sorties relles du systme et des sorties du capteurainsi que les rsidus gnr par les quations dauto redondance delespace de parit cas panne capteur de pression de collecteurdadmissionRsidu insensible au 1er entre du systmeRsidu insensible au 2ime entre du systmeRsidu insensible au 3ime entre du systmeRsidu insensible au 4ime entre du systmeRsidu insensible au 1er entre du systme on prsence du bruitRsidu insensible au 2ime entre du systme on prsence du bruitRsidu insensible au 3ime entre du systme on prsence du bruitRsidu insensible au 4ime entre du systme on prsence du bruitRsidu insensible au 1er entre du systme on prsence du bruitet panne de 1er actionneurRsidu insensible au 2ime entre du systme on prsence du bruit etpanne de 1er actionneur

Rsidu insensible au 1er entre du systme on prsence du bruitet panne de 1er actionneur

86

87

88

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919191919191929292

92

92

VII

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Rsidu insensible au 2ime entre du systme on prsence du bruitet panne de 1er actionneurRsidu insensible au 1ime entre du systme en prsence du bruitet panne de 2ime actionneurRsidu insensible au 2ime entre du systme en prsence du bruitet panne de 2ime actionneurRsidu insensible au 3ime entre du systme en prsence du bruitet panne de 2ime actionneurRsidu insensible au 4ime entre du systme en prsence du bruitet panne de 2ime actionneurSignaux des sorties du 1er observateur en absence des pannesSignaux des sorties du 2ime observateur en absence des pannesSignaux des sorties du 3ime observateur en absence des pannesSignaux des sorties du 4ime observateur en absence des pannesSignaux des sorties du 5ime observateur en absence des pannesSignaux des sorties du 1er observateur pour une panne du capteurde vitesseSignaux des sorties du 2ime observateur pour une panne du capteurde vitesseSignaux des sorties du 3ime observateur pour une panne du capteurde vitesseSignaux des sorties du 4ime observateur pour une panne du capteurde vitesseSignaux des sorties du 5ime observateur pour une panne du capteurde vitesseSignaux des sorties du 1er observateur pour une panne capteur depression du collecteur dadmissionSignaux des sorties du 2ime observateur pour une panne capteurde pression du collecteur dadmissionSignaux des sorties du 3ime observateur pour une panne capteurde pression du collecteur dadmissionSignaux des sorties du 4ime observateur pour une panne capteurde pression du collecteur dadmissionSignaux des sorties du 5ime observateur pour une panne capteurde pression du collecteur dadmissionSignaux des sorties du 1er observateur entre inconnu en absencedes pannesSignaux des sorties du 2imeobservateur entre inconnu enabsence des pannesSignaux des sorties du 3imeobservateur entre inconnu enabsence des pannesSignaux des sorties du 4imeobservateur entre inconnu enabsence des pannesSignaux des sorties du 1er observateur entre inconnu en cas depanne sur llectrovanne EGR Signaux des sorties du 2ime observateur entre inconnu en casde panne sur llectrovanne EGR

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93

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VIII

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Signaux des sorties du 3ime observateur entre inconnu en casde panne sur llectrovanne EGR Signaux des sorties du 4ime observateur entre inconnu en casde panne sur llectrovanne EGR Signaux des sorties du 1er observateur entre inconnu en caspanne dinjecteurSignaux des sorties du 2ime observateur entre inconnu en caspanne dinjecteurSignaux des sorties du 3ime observateur entre inconnu en caspanne dinjecteurSignaux des sorties du 4ime observateur entre inconnu en caspanne dinjecteurSignal estim de command de llectrovanne EGR et entrerelle du systmeSignal estim de command de linjecteur et entre relle dusystmeInterface graphique de simulation

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122

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Introduction gnrale

1

Introduction gnrale :

L'un des enjeux les plus importants de l'automatisation concerneaujourd'hui l'augmentation de la fiabilit, de la disposition de la sret defonctionnement des processus technologiques. Cela conduit la mise en uvrede systme de surveillance dont l'objectif est d'tre capables, tout instant, defournir l'tat de fonctionnement de diffrents organes constitutifs d'un systmetechnologique quelconque.

Comme la mentionn Philippe Declarck [Decl 91], en effet les systmesautomatiques de production sont caractriss par une complexit de plus en plusimportante :capteur et actionneur nombreux, gographiquement rpartis, avecdes modes de fonctionnement multiples, interactions importante entre lesoprateurs et le processus, ainsi leurs complexits les rendent vulnrables auxdfaillances qui sont l'origine de cots importants en termes de scurit (risqued'accident, de pollutions, etc) et en termes de disponibilit (diminution de laproductivit, mauvaise qualit, etc...).

Il est ncessaire davoir un systme de supervision intelligent capable demener la tche de diagnostic et de dtection des dfauts oprant dans unprocessus o les organes de contrle (les capteurs) ou de commande (lesactionneurs) sont imbriqus.

Cette tche comprend la dtection des dfauts dans les processus,actionneurs et capteurs en employant les dpendances entre diffrents signauxmesurables. Ces dpendances sont exprimes par les modles mathmatiques deprocessus.

Pour la dtection de dfauts, on peut citer les mthodes bases sur laconnaissance et celles qui sont base de modles voir [Iser 84], [Iser 91]. Dufait que la conception dun systme de commande reconfigurable est fortementlie aux informations sur le systme post-dfaut, nous avons opt pour lesmthodes base de modles. Le principe consiste utiliser les mesures dessignaux d'entre et de sortie et le modle mathmatique du procd afin degnrer des rsidus ou indicateurs. Aprs valuation, le dfaut est dtect etisol.

Introduction gnrale

2

Les techniques de lautomatique proposent des outils de surveillance dessystmes en temps rel, bass sur les mesures prleves sur ces capteurs. Lalittrature propose une multitude des mthodes pour aborder les problmes dedtection et disolation des dfauts. Ce sont les mthodes de dtection etdisolation de dfauts base de modle qui retiendront notre attention. Pourdtecter la prsence dun dfaut, le comportement du systme est compar celui du modle mathmatique et tout cart significatif dnote une modificationde comportement ventuellement explicable par la prsence dun dfaut. Ladiffrence entre le comportement du systme et celui du modle est exprimsous forme dun rsidu. Afin disoler les dfauts, le rsidu est souvent structurde manire tre sensible uniquement un groupe de dfauts voir [Maqu 97],[Rago 00]. Pour obtenir le modle mathmatique utilis dans ces mthodes dedtection et disolation de dfaut, les mthodes didentification sont souventutilises afin de caractriser le modle de bon fonctionnement du systme etventuellement son ou ses modles de dysfonctionnement voir [Fink 97], [Nell00].

Dans cet tude on sintresse la modlisation du systme de moteurDiesel qui est un moteur thermique ou machine permettant de convertir del'nergie chimique issue du processus de combustion dune certaine quantit decarburant (gasoil) et de comburant (air), en nergie mcanique.Depuis leur intgration dans le moyen de transport le plus utilis dans lescivilisations dites dveloppes , i.e. lautomobile, les industriels n'ont cessd'amliorer les moteurs thermiques. En effet, les systmes mcaniques quijusqu' rcemment permettaient de piloter compltement les moteurs (cbled'acclrateur, carburateur, arbre cames, etc), sont peu peu remplacs pardes systmes de commande lectro-mcaniques ou lectroniques (papillonmotoris, injecteur, soupape lectromagntique, etc). Lemploi gnralis deces nouveaux systmes se justifie par la ncessit de matriser le comportementdu moteur avec comme objectif de raliser un bon compromis entre lesmissions de polluants, la consommation de gasoil et les performancessouhaites par le client. La demande croissante du march ainsi que lamultiplication du nombre de vhicules sont des raisons majeures del'augmentation des missions polluantes effet de serre qui menacent lavenir delhumanit. Pour cette raison, de nouvelles normes antipollution ont t dfinieset sont venir.

Introduction gnrale

3

Un intrt particulier a t donn au dveloppement des moteursthermiques afin de les rendre plus conomiques (en terme de consommation decarburant), et moins polluants.

Ce travail a t initi pour rpondre un certain nombre de questionsrelatives au bon fonctionnement du moteur Diesel injection direct rampecommune (modle DCI , HDI ).

La complexit technologique des lments qui composent ces moteurs,lintgration de plus en plus importante de lespace calcul et ainsi que le degrde coopration du concepteur et du conducteur imposent des outils demodlisation et de dtection de diagnostic de dfauts assez puissant.Pour cela il est prsent un modle complet dcrivant les phases dadmission decombustion et dchappement modle fortement non linaire.

Lapproche neuro-floue est utilise pour construire des multi modle(LOLIMOT) local linear model tree (en anglais) permettant de reproduire leplus fidlement possible le phnomne de thermodynamique et mcanique,lidentification des paramtres est mene sur des modles linaires dcouplsdcrit par une reprsentation neuro-floue.

Un programme de simulation assez consistant est lanc pour une base dedonns permettant de dlimiter les horizons de fonctionnement du moteur ainjection directe.

Une structure de dtection de dfauts et diagnostic est construite autourdun bloc de gnrateur de rsidus par deux mthodes, celle de lespace de paritet un banc dobservateurs, dans une seconde tape lon tablit un test comparantles rsidus.

Il est souligner que cette structure sintgre dans larchitecture ducalculateur et peut rpondre un certain nombre de questions avec pertinence,en outre il est prvu dadjoindre cette structure un ensemble de cooprationhomme machine et ce pour complter la boucle de surveillance (assurer unesret de fonctionnement de manire constante et une intervention facile demaintenance).

Chapitre 1 : Les moteurs Diesel

5

1-1 Introduction :Un moteur Diesel fonctionne diffremment d'un moteur essence. Mme

si leurs principaux organes sont semblables et s'ils respectent le mme cycle quatre temps, un moteur Diesel et un moteur explosion prsentent desdiffrences sensibles, en particulier dans la faon dont le mlange carbur y estenflamm et dans la manire dont la puissance dlivre y est rgule. Dans unmoteur essence, le mlange carbur est enflamm par une tincelle lectrique.Dans un moteur Diesel, l'allumage est obtenu par une auto-inflammation ducarburant la suite de l'chauffement de l'air sous l'effet de la compression.

Figure 1-1 : Schma d'un moteur Diesel injection direct

Un moteur combustion interne fut conu ds 1678 par le scientifiquehollandais Christiaan Huygens. Cependant, il ne fut effectivement construit quebeaucoup plus tard. Depuis la carriole motorise du Suisse Isaac de Rivaz en1805, en passant par la voiture construite par tienne Lenoir Paris en 1863 etfonctionnant au gaz dclairage, il a fallut attendre le milieu des annes 1880pour que le moteur combustion interne puisse tre utilisable dans un vhiculedestin au transport des personnes.En 1862, le Franais Beau de Rochas inventa le premier cycle quatre temps.En 1866, les deux ingnieurs allemands Eugen Langen et August Otto, mirentau point un moteur gaz et, en 1876, Otto construisit un moteur quatre temps, lorigine de la plupart des moteurs combustion interne ultrieurs pour plusdinformation voir [Desv 03].

1 Injecteur

2 Arbre cames

3 Soupape

4 Piston

5 Bielle

6 Vilebrequin


6

1-2 Rappel historique du moteur Diesel :

Le moteur Diesel qui quipe les automobiles que nous connaissons cejour est le fruit d'une volution constante.Cette volution a subi des acclrations en fonction de circonstances telles quele premier choc ptrolier et l'apparition des normes antipollution.1897 : Le premier moteur conu par un ingnieur thermicien, Rudolf Diesel,fonctionne en Allemagne. Il rsulte de travaux thoriques destins amliorerle rendement thermodynamique. Ce moteur, qui a un rendement de 26,2 %(compar aux 20 % du moteur essence de l'poque), dveloppe une puissancede 27 kW .1936 : Mercedes produit en petite srie la premire voiture moteur Diesel, la260D.1938 : Peugeot ralise une srie d'un millier de modle 402 Diesel.1973 : La crise ptrolire favorise la gnralisation des voitures moteurDiesel.1988 : Fiat produit la premire voiture de srie quipe d'un moteur injectiondirecte.1989 : Audi prsente la premire voiture quipe d'un moteur injection directe rgulation lectronique.1998 : Premires applications de l'injection directe rampe commune ralisepar Bosch sur des vhicules de srie.2000 : Plusieurs constructeurs europens produisent une version de leurvhicule de prestige quip d'un moteur V8 Diesel injection directe rampecommune.

1-3 Les types de moteur Diesel:

Dans le monde actuel il existe trois types de moteurs Diesel :

1-3-1) Moteurs injection indirecte :

Pour qu'un moteur combustion interne fonctionne avec rgularit et ait unbon rendement, le carburant et l'air doivent tre correctement mlangs. Lesproblmes poss par le mlange air-carburant sont particulirement compliqusdans un moteur Diesel, car ces composants y sont introduits dans les cylindres des moments du cycle diffrents. Il existe deux types d'injection : l'injectiondirecte et l'injection indirecte voir [Guy 02], [Pica 01].

Traditionnellement, c'est la solution de l'injection indirecte qui a temploye, car elle constitue le moyen le plus simple de crer une turbulence quiassure un mlange intime de la dose de carburant avec l'air dj fortementcomprim dans la chambre de combustion.

Aussi, dans un moteur injection indirecte, le carburant n'est pas injectdirectement dans la chambre de combustion principale, mais il est envoy dansune petite chambre de turbulence en spirale (appele aussi chambre deprcombustion) o s'amorce en ralit la combustion voir figure 1-2.


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L'inconvnient de ce systme rside dans le fait que la chambre de turbulenceest en fin de compte une annexe de la chambre de combustion, avec laquelleelle constitue un ensemble de forme peu propice l'obtention d'une combustionrellement totale et rgulire, la figure 1-2 dmontrer deux types de cesmoteurs.

Dans ces deux cas, la combustion se droule dans deux volumes spars :une chambre, reprsentant 30 60% du volume total, qui reoit l'injection ducarburant et o s'amorce la combustion, et une chambre principale dans laquelleelle s'achve.

L'injection du carburant dans ce petit volume relativement chaud permet derduire le dlai dallumage du combustible. Seule la quantit minimum decombustible ncessaire l'amorage de la combustion s'enflamme, le reste setrouve chass de la prchambre par l'augmentation de pression et la combustionse poursuit dans la chambre principale. Les moteurs injection indirecteremplissent les conditions requises pour son application l'automobile, savoirun relatif silence de fonctionnement et un faible taux d'missions de NOx. Lesecond choc ptrolier en 1973 et les normes de dpollution toujours plussvres ont amen les constructeurs repenser le moteur Diesel en termesd'conomie et de faible pollution.

Ces vhicules sont quips d'une pompe injection rotative HP (hautepression) semi-automatique (ou un peu d'lectronique) qui distribue le carburantsuccessivement chaque cylindre en ouvrant les injecteurs les uns aprs lesautres par la pression du gasoil qui est d'environ 130 bar.Inconvnients:- Le rglage de rgime de ralenti.- La pollution effectue par cette srie de moteur.- La consommation lev de gasoil.1-3-2) Les Moteurs injection directe :

Le moteur injection directe s'impose pour son rendement suprieur ceux des moteurs injection indirecte.En effet, le rapport entre la surface et le volume de la chambre de combustionest nettement plus faible pour un moteur chambre espace mort unique(injection directe voir figure 1-3) que pour un moteur prchambre (injection

Avec prchambre Avec chambre de turbulence

Figure 1-2 Les structures des prchambres de combustion


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indirecte voir figure 1-2) ; de plus, la dure de la combustion est plus courtedans un moteur injection directe.

Ces deux paramtres diminuent les changes thermiques entre la chambrede combustion et le systme de refroidissement, facteurs de perte de rendement.Les problmes lis l'injection directe sont de deux ordres : bruits decombustion et mission d'oxyde dazote (NOx), voir [Guy 02], [Pica 01].L'apparition de la rgulation lectronique dans les systmes d'injection a permisde stabiliser et d'affiner les rglages de base, tant au niveau du momentd'injection que du dbit de combustible. Ces diffrents systmes d'injectionmcaniques par pompe distributrice, rguls ou non de manire lectronique,prsentent comme caractristique commune la variation de la pressiond'injection en fonction de la vitesse de rotation du moteur.Cette variation de pression d'injection rend difficile une matrise totale de lacombustion.

Figure 1-3 Linjection directe

Les TDI dans le groupe W.W., les "anciens moteurs" 90 et 110 CV desGolf et Passat par exemple, les DTI chez Renault, et les TDDI (ou les transit)chez Ford, les Iveco et les Fiat TDI quips des moteurs SOFIM sont desmoteurs Diesel injection directe (direct injection en anglais).Ils sont quips d'une pompe injection rotative HP semi-Automatique (avec deslments lectroniques et parfois mme un calculateur). La pompe injectiondistribue le carburant successivement chaque cylindre en ouvrant lesinjecteurs les uns aprs les autres par la pression du gasoil mais la l'injecteurinjecte directement dans le cylindre. Leur pression d'injection est comprise entre180 et 250 bar. Ces moteurs ne sont pas (en gnral) quips de bougies deprchauffage, il n'est pas ncessaire de prchauffer le moteur pour dmarrer Ilssont par contre souvent quipe d'un Thermostat situ dans la piped'chappement pour rchauffer l'entre d'air (au dmarrage).Avantage:

Consommation plus faible, trs fiables, moins de ruptures des joints deculasses sur le Sofim.Inconvnients:

Ils sont "assez bruyants" on les reconnat leur claquement particulier li la pression d'injection plus leve et ils auraient eu du mal remplir lesconditions des lois anti-pollution futures (surtout les modles sans turbo).


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1-3-3) Moteurs rampe commune et Injecteur Pompe :Le systme d'injection haute pression rampe commune consiste

alimenter, l'aide dune pompe haute pression pilote lectroniquement, unerampe commune (soit common-rail en anglais) qui assure la fonctiond'accumulateur du carburant. Cette rampe est connecte des injecteurs quiassurent une pulvrisation trs fine directement dans la chambre de combustiongrce une pression comprise entre 1350 et 1400 bars (contre 900 bars pourune pompe d'injection normale). Cette pulvrisation trs fine permet d'amliorerla combustion pour plus du dtail voir [Guy 02], [Delv 02].

Contrairement aux systmes pompe distributrice, la pression dinjectionest indpendante de la vitesse de rotation du moteur et demeure constantependant la phase dinjection.Le pilotage de linjection par un calculateur lectronique laisse une grandelatitude de programmation Aux motoristes.La quantit de combustible inject peut tre fractionne pour raliser un prinjection, ce qui permet De rduire les bruits de combustion et la formation deNOx.

Cette faible quantit de carburant (1 4 mm3) permet de prparer, par uneaugmentation de la Temprature et de la pression dans la chambre decombustion, l'inflammation du combustible lors de Linjection principale.Les vhicules quips de filtres particules prsentent une phase de nettoyagequi ncessite une Post-injection, rendue possible grce au pilotage desinjecteurs par un calculateur lectronique.Le pilotage par une lectronique numrique de tous les paramtres de l'injectionpermet d'optimiser le Fonctionnement du moteurLa rduction des missions de rejets polluants est devenue une ncessit pourles constructeurs.

Le calcul de la pollution mise par un vhicule prend en compte lapuissance fournie et non un pourcentage des gaz mis, ce qui favorise le moteurqui a le meilleur rendement.

Une des solutions pour atteindre cet objectif passe par une diminution de laconsommation et par une matrise de la combustion.

Le moteur Diesel injection directe, aliment par un systme d'injectionhaute pression gestion lectronique, offre un rendement suprieur tous lesautres moteurs thermiques. Grce sa relative simplicit dadaptation sur lesmoteurs existants, le systme dinjection Diesel haute pression rampecommune constitue la solution actuelle la plus facilement industrialisable.

L'apparition de l'injection rampe commune pour les moteurs Diesel aouvert un nouvel espace de libert aux motoristes. Les progrs sur le plan duconfort, de la Consommation et de la diminution de la pollution en sont lesconsquences directes.


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Les JTD du groupe Fiat, HDI du groupe PSA, DCI Renault, CDIMercedes, D4D Toyota sont quant eux des moteurs dits Commons rail C'est dire qu'ils sont quips d'une pompe rotative qui alimente un tube commun(rampe commun) et les injecteurs sont aliments par ce tube, l'ouverture dechaque injecteur se fait par une lectrovanne (source de panne) et un calculateurpour donner l'ordre aux injecteurs de s'ouvrir).

Une technique Fiat qui a t transfre chez Bosch. (Dans le futur, leslectrovannes devraient tre remplaces par des systmespizolectriques lectropneumatique voir figure 1-4 ).

Il y a une variante qui apparat sur les moteurs plus petits (les DieselsRenault, PSA et Ford) dveloppe par ex Lucas et maintenant Delphi quiremplace le tube par une sphre mais le fonctionnement est le mme.

Le groupe WW complique avec leur TDI nouvelle formule: les 100 et 130CV des Golfs et Passt qui eux sont quips d'un systme dit injecteur pompec'est dire qu'il n'y a plus de pompe rotative mais par contre la pompe estintgre dans l'injecteur. Quand il y a panne on change le tout (sur un cylindre).

Comme la rampe commune, l'efficacit du systme est base sur la hautepression. Celle-ci est provoque mcaniquement sous la pousse d'une camespcifique place sur l'arbre cames traditionnel. Cette came actionne l'aided'un poussoir un petit piston qui augmente la pression dans l'injecteur afin derendre plus fine la pulvrisation.

Leurs avantages :Avec les deux systmes ce sont des moteurs trs puissants.

- Ils polluent moins surtout dans les phases transitoires d'acclration (tant quele calculateur fera bien son boulot).- Les clients sont "captifs" on ne peut pas faire rparer n'importe o.Inconvnients :

Lintroduction de llectronique peut provoquer une infinit des pannesprovenant de systme de commande lectrique.

Figure 1-4 Injecteur piezo de Siemens


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1-4 Comment a marche le moteur Diesel :

Le moteur Diesel tait considr, jusqu' une poque rcente, comme unmoteur bruyant, polluant et lourd, rserv en principe aux camions,camionnettes et taxis. Mais, avec l'avnement des Diesel lgers, rapides etpuissants et le raffinement de leurs systmes d'injection, la situation a changdans les annes 1980. Le Diesel a acquis ses lettres de noblesse. On le prsentemme parfois comme le moteur du futur. L'avantage principal du moteur Dieselpar rapport au moteur tincelle est son faible cot d'utilisation. Ce rsultat estd en partie au meilleur rendement du Diesel - rsultant du fait qu'il fonctionneavec un taux de compression lev- en partie au prix infrieur du carburant parrapport celui de l'essence, surtout en Algrie.

1-4-1) Le Principe:Un moteur Diesel fonctionne diffremment d'un moteur essence. Mme

si leurs principaux organes sont semblables et s'ils respectent le mme cycle quatre temps, un moteur Diesel et un moteur explosion prsentent desdiffrences sensibles, en particulier dans la faon dont le mlange carbur y estenflamm et dans la manire dont la puissance dlivre y est rgule. Dans unmoteur essence, le mlange carbur est enflamm par une tincelle lectrique.Dans un moteur Diesel, l'allumage est obtenu par une auto-inflammation ducarburant la suite de l'chauffement de l'air sous l'effet de la compression. Unrapport volumtrique normal est de l'ordre de 20 1 pour un moteur Diesel(alors qu'il est de 9 1 pour un moteur essence). Un tel taux de compressionporte la temprature de l'air dans le cylindre plus de 450 C. Cette tempraturetant celle de l'auto-inflammation du gasoil, celui-ci s'enflamme spontanmentau contact de l'air, sans qu'il y ait besoin d'une tincelle, et, par consquent, sanssystme d'allumage.

Un moteur essence admet une masse de mlange carbur variable d'uncycle l'autre en fonction de l'ouverture du papillon des gaz. Un moteur Diesel,au contraire, aspire toujours la mme masse d'air ( rgime gal) par un conduitde section constante dans lequel seule s'interpose la soupape d'admission (il n'ya ni carburateur, ni papillon). A la fin de la phase d'admission, la soupaped'admission se ferme, puis le piston, soumis l'inertie de l'ensemblevilebrequin-volant moteur, remonte vers le haut du cylindre en comprimant l'airdans environ 1/20 de son volume initial. C'est la fin de cette phase decompression qu'une quantit prcisment dose de carburant (gasoil) estinjecte dans la chambre de combustion. En raison de la temprature leve del'air comprim, ce carburant s'enflamme immdiatement et les gaz chauds, en sedilatant, repoussent le piston avec force. Quand le piston remonte dans lecylindre, lors de la phase d'chappement, la soupape d'chappement s'ouvrepour laisser les gaz brls et dilats s'vacuer dans le systme d'chappement.

A la fin de la phase d'chappement, le cylindre est prt admettre unenouvelle charge d'air frais afin que le cycle complet recommence.


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1-4-2) Les temps de la combustion :Le fonctionnement est fait temps par temps dans chaque cylindre nous

avons donc :1er Temps L'admission:

La soupape d'amission s'ouvre alors que le piston descend du point morthaut au point mort bas. L'air pouss par la pression atmosphrique entre dans laculasse.2me Temps La compression:

Les deux soupapes sont fermes; le piston monte du point mort bas aupoint mort haut. Il comprime alors l'air admis dans le cylindre lors du tempsprcdent. L'air contenu dans le cylindre est port une temprature d'environ,440C par le fait qu'on le comprime.3me Temps L'explosion ou temps moteur :

Figure 1-5 L'admission d'air

Figure 1-6 La compression d'air

Figure 1-7 L'explosion


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Lorsque le piston arrive au point mort haut le gasoil est introduit souspression dans le cylindre. La haute temprature de l'air comprim provoquel'inflammation spontane du carburant ce qui repousse le piston vers le bas.4me Temps L'chappement:

La soupape d'chappement s'ouvre alors que le piston remonte du pointmort bas vers le point mort haut, les gaz brls sont alors chasss par le piston.1-4-3) Le dmarrage d'un moteur Diesel:

Comme les moteurs essence, les moteurs Diesel sont lancs par unmoteur lectrique (dmarreur) qui amorce le cycle compression-inflammation.A froid, cependant, les Diesel sont difficiles dmarrer. Pour faciliter le dpart froid on lve la temprature des parois de la chambre de combustion et del'air admis, les Diesel sont quips de bougies de prchauffage. Ces organes,qui ressemblent des bougies d'allumage mais qui sont plus courts et pluspais, sont connects l'alimentation lectrique du vhicule; ils comprennentune rsistance intrieure qui s'chauffe trs rapidement ds qu'elle est mise soustension. Les bougies de prchauffage sont mises en fonction par la cl decontact-dmarrage-antivol. Sur les moteurs les plus rcents, elles sont misesautomatiquement hors circuit ds que le moteur est lanc et acclr au-dessusde son rgime de ralenti. Ce problme de dmarrage froid a au moins deuxraisons, d'une part, ils opposent, du fait de leur taux de compression lev, uneforte rsistance l'entranement, d'autre part, la seule compression de l'air froidne permet pas d'atteindre une temprature suffisamment leve pour que lecarburant s'enflamme spontanment.Le contrle du rgime

Un moteur Diesel n'est pas rgul comme un moteur essence, car lamasse d'air aspire chaque cycle y est toujours la mme quel que soit l'effortqui lui est demand. Le rgime du moteur est uniquement rgul par la quantitde carburant pulvris dans la chambre de combustion une quantit suprieurede gasoil inject donne une combustion plus vive et produit une force plusimportante.

La pdale d'acclration est relie au dispositif de dosage (le rgulateur) dusystme d'injection et non pas, comme dans un moteur essence, un papillon

Figure 1-8 L'chappement


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d'admission d'air. Si l'arrt d'un Diesel s'obtient maintenant par la manuvred'une cl semblable une cl de " contact ", il s'agit de couper non pas uncircuit assurant la production d'tincelles, mais un circuit assurant l'alimentationlectrique d'une lectrovanne qui contrle l'arrive de carburant la pomped'injection du systme de dosage et de distribution.

1-4-4) Le cycle du Diesel :C'est le cycle de fonctionnement des moteurs allumage par compression.

Le cycle thorique se compose d'une dtente isobare, d'une dtente adiabatiqueet d'une transformation isochore).

Dans les dbuts, le cycle de fonctionnement comportait une phasethorique de combustion pression constante, comme Rudolf Diesel en avait eul'ide. Pour un fonctionnement quatre temps du moteur, c'est dire pour uncycle se droulant pendant deux tours de vilebrequin et quatre courses dupiston, les oprations raliser taient les suivantes :- Introduction de l'air dans le cylindre (par aspiration naturelle ou mcanique aumoyen d'un compresseur).- compression de la charge d'air et, allumage spontan de ce combustible.- combustion du mlange pression presque constante, suivie de la dtenteproprement dite des gaz brls, avec production de travail.- Expulsion mcanique des produits de la combustion par l'action de pousse dupiston pendant sa remonte. Le rendement thermique tait caractris par lesvaleurs de deux rapports caractristiques.

1-5 Larchitecture des moteurs Diesel :Les organes principaux d'un moteur Diesel sont semblables ceux des

moteurs essence et remplissent les mmes fonctions. Cependant, le Diesel doitcomporter des pices plus rsistantes que leurs homologues quipant lesmoteurs essence car, le taux de compression y tant nettement suprieur, lescontraintes mcaniques y sont nettement plus importantes.Les parois d'un Diesel sont en gnral beaucoup plus paisses que celles d'unmoteur essence et portent davantage de nervures et de renforts pour mieuxrsister aux contraintes mcaniques et thermiques. Les pistons, les bielles, levilebrequin doivent tre plus rsistants que les mmes organes monts sur unmoteur essence. La conception de la culasse doit tre trs diffrente en raisonde la prsence des injecteurs de gasoil et de la forme spciale des chambres deprcombustion et de combustion.

Il est a soulign que ltude prsente dans ce mmoire porte sur lesystme dinjection Diesel rampe commune Delphi sur le moteur Renault 1,5DCI. Ce systme quipe le moteur Renault 1,5 DCI (K9K) de la Clio, de laKangoo, et de la Mgane 2.


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Composants du systme d'injection

1-5-1) Fonctionnement du systme;Le systme dinjection rampe commune de Bosch (voir figure 1-9)

bnficie de la technologie Diesel la plus rcente.La quantit de carburant injecte et le calage d'injection, ainsi que les gazd'chappement, sont commands par calculateur lectronique.Le capteur de position de la pdale d'acclrateur [2], ainsi que d'autres sondeset capteurs situs dans le moteur et dans le reste du vhicule, transmettent desinformations sous forme de signaux lectriques au calculateur de gestion dumoteur [5].

La pompe haute pression est alimente en carburant basse pression soitpar une pompe carburant lectrique [12], soit par une pompe mcaniqueentrane par le moteur [13], soit par les deux.L'alimentation du moteur en carburant sous haute pression est assure par unepompe haute pression entrane mcaniquement par le moteur [23]. La pompecomprend trois lments de pompage entrans par un arbre excentrique.

Une lectrovanne [15] monte l'arrire de la pompe assure le contrlede la pression du carburant.

1. Electrovanne de coupure du 3me piston2. Capteur de position de la pdale d'acclrateur3. Batterie4. Capteur de position du vilebrequin5. Calculateur de gestion du moteur6. Sonde de temprature du liquide de

refroidissement7. Electrovanne EGR8. Dispositif de refroidissement du carburant9. Filtre carburant10. Dispositif de chauffage du carburant11. Injecteur12. Pompe carburant (lectrique)13. Pompe carburant (mcanique)14. Relais de la pompe carburant15. Electrovanne de commande de pression de

carburant16. Capteur de pression du carburant17. Rampe de distribution18. Rservoir de carburant19. Sonde de temprature du carburant20. Relais de prchauffage21. Bougie de prchauffage22. Lampe tmoin bougies de prchauffage23. Pompe carburant haute pression24. Contact (dmarrage)25. Sonde de temprature d'air d'admission26. Lampe tmoin d'affichage des dfauts27. Capteur de pression absolue du collecteur

d'admission28. Dbitmtre d'air massique29. Electrovanne de dcharge du turbocompresseur30. Capteur de vitesse du vhiculeFigure 1-9 Architecture dun moteur Diesel

rampe commun


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Dans certains cas, on utilise une lectrovanne de coupure du troisimepiston [1] afin que la pompe ne fonctionne qu'avec deux lments de pompage,ce qui permet d'conomiser l'nergie du moteur pour des charges faibles.La pompe haute pression envoie le carburant sous haute pression dans la rampede distribution [17] o il est alors rparti entre les injecteurs [11]. Une sonde detemprature du carburant [19] et un capteur de pression du carburant [16]permettent le contrle des conditions l'intrieur de la rampe de distribution.Les injecteurs sont des lectrovannes de faible rsistance qui obissent dessignaux lectriques envoys par le calculateur de gestion du moteur [5].1- 5 -2) Les lments principaux du systme :1-5-2-a) Les injecteurs :

L'injecteur permet la pulvrisation du carburant dans la chambre depression en dosant avec prcision le dbit et le point d'avance.L'injecteur est compos de deux parties (voir figure 1-10) :- la partie infrieure : cest un injecteur trous multiples, semblable auxinjecteurs classiques Monts sur les moteurs injection directe ;- la partie suprieure : cest un dispositif commande lectrique qui permet lacommande de Laiguille.1-5-2-a-1) Fonctionnement:

Les injecteurs lectroniques sont constamment aliments en carburantsous haute pression. Un clapet bille obissant une lectrovanne spare lachambre de commande du circuit de retour et assure que le ressort de l'injecteurmaintient le pointeau contre son sige.

Au commencement de l'injection, l'lectrovanne s'enclenche et le clapet bille s'ouvre ce qui provoque une baisse de pression dans la chambre decommande. La pression dans la chambre de pression pousse contre le ressort del'injecteur et soulve le pointeau de son sige. La buse de l'injecteur envoie lecarburant finement atomis dans la chambre de combustion.

Afin de rduire l'intensit du courant ncessaire pour faire fonctionnerl'injecteur, le calculateur commute la tension de l'lectrovanne trs rapidementau cours de l'injection.

1. Electrovanne2. Arrive du carburant3. Retour du carburant4. Connexion lectrique5. Chambre de commande6. Chambre de pression7. Pointeau de l'injecteur8. Ressort de l'injecteur9. Piston de commande10. Clapet bille11. Buse de retour

Figure 1-10 L'injecteur Diesel rampecommun


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1-5-2-a-2) Commande de l'injecteur :Le temps de commande du solnode de l'injecteur varie de 200 1 200

s environ. Ce temps comprend les phases d'appel et de maintien.1-5-2-a-3) La pr-injection :

Le principe fondamental du moteur Diesel est la combustion par auto-allumage. Cet auto-allumage comporte un dlai d'allumage, c'est--dire untemps mis par le combustible pour atteindre son point d'auto inflammation.Avec les pompes d'injection distributrices, la quantit injecte pendant ce dlaiest trop importante, notamment froid, d'o un bruit caractristique de cognement .

Avec le systme rampe commune, la pr-injection de quelquesmillimtres cube de combustible, avant le point mort haut, permet de prparerl'amorage de la combustion avant l'injection du dbit principal.La pr-injection est active faible charge et aux phases transitoires jusqu' unrgime moteur dtermin.1-5-2-a-4) L'injection principale :

Le dbit inject dans le cylindre est variable suivant :- la pression dans la rampe.- le temps d'ouverture de l'aiguille d'injecteur.

La pression dans la rampe fait varier notamment la quantit decombustible injecte par degrs de rotation du vilebrequin, le tauxd'introduction et la finesse de pulvrisation.

Le temps d'ouverture de l'aiguille fait varier la dure angulaired'injection. On peut noter que la leve d'aiguille ainsi que le diamtre et lenombre de trous dans la buse font partie de donnes essentielles pourl'laboration d'un dbit.1-5-2-a-5) La post-injection :

La post injection succde l'injection principale pendant la dtente desgaz.

Un produit additif mlang avec le combustible permet le nettoyage dufiltre particules.1-5-2-b) La rampe commune haute pression :

La rampe est en acier forg et est adapte la cylindre du moteur. Sonvolume amortit les pulsations De pression.Composition :

Figure 1-11 La rampe communehaute pression

1 : sorties haute pression.2 : rampe.3 : sonde de temprature

de carburant.4: capteur de pression


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La rampe commune du moteur Renault est de type sphrique :

La rampe commune 1 est de formesphrique et donc peuencombrante. Elle a t conuepour les moteurs de petitecylindre.Elle possde des orifices dispossen toile.Le capteur de pression 2 informe lecalculateur de la pression qui rgnedans la rampe.Il nest pas dmontable de la rampeen rparation.La pression interne au circuit hautepression est variable, elle peutatteindre 1600 bar.

Figure 1-12 La rompe commune de type sphrique

Les sorties haute pression sont en gnral quipes de limiteur de dbitafin de scuriser l'installation.

Le limiteur de dbit intervient en cas de grippage d'injecteurs oud'interruption de canalisations haute Pression, et leur Composition est :

1 : sortie vers linjecteur.2 : corps de limiteur.3 : ressort.4 : piston.5: pression de rampe.

Figure 1-13 Le limiteur de dbit


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1-5-2-c) Dispositif de dmarrage froid

1-5-2-c-1) Bougies de prchauffage

Afin de faciliter le dmarrage du moteur basse temprature, on utilisedes bougies de prchauffage pour augmenter la temprature dans les chambresde combustion. On peut galement utiliser les bougies de prchauffage quand lemoteur tourne froid afin de rduire les missions gazeuses nocives,l'apparition de fumes d'chappement bleues et le cliquetis (postchauffage).

Le prchauffage et le postchauffage sont parfois commands par unbotier lectronique des bougies de prchauffage, mais sur les systmesmodernes ce contrle est en gnral assur par le calculateur de gestion moteur.

1 Borne2 Isolation3 Botier4 Joint5 Bobinage de chauffage et de rgulation6 Tube incandescent7 Poudre isolante

1-5-2-c-2) Fonctionnement

Une bougie de prchauffage comprend des bobinages de chauffage et dergulation noys dans une poudre d'oxyde de magnsium. Quand on appliqueune tension sur la borne le courant passe dans les lments de chauffage et latemprature monte rapidement. Le courant circule galement dans lesbobinages de rgulation ce qui provoque galement un rchauffement mais pluslent. La rsistance augmente au fur et mesure que la temprature del'extrmit de la bougie augmente (jusqu' environ 1200C).

Quand le moteur est froid, les bougies de prchauffages peuvent resteractives (postchauffage) mme aprs le dmarrage, jusqu' ce qu'une certainetemprature soit atteinte ou pendant un temps dtermin, en gnral 180secondes.

1-5-2-d) Turbo et Compresseur:

Pour accrotre les performances d'un moteur, sans modifier la cylindre etles ctes "physiques", les constructeurs ont eu l'ide d'ajouter un turbo ou uncompresseur (et par-dessus, ventuellement un changeur air/air appelintercooler) voir figure 1-15.

Figure 1-14 Bougie de prchauffage


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1-5-2-d-1) Compresseur :Il est entran par le moteur (courroie) et fournit de l'air compress au

moteur. Son rendement est plus lev ds les premiers tours puisqu'il tourne enmme temps que le moteur.Tout d'abord, Il faut faire la diffrence entre un turbo et un compresseur :1-5-2-d-2) Turbo :

Il est entran par les gaz d'chappement et fournit de l'air compress aumoteur. Son rendement est plus lev haut rgime car il y a plusd'chappement. A bas rgime en revanche, les gaz d'chappements ne suffisentpas pour l'entraner suffisamment rapidement.1-5-2-d-3) Le principe de fonctionnement de turbocompresseur :

Un moteur consomme du carburant et de l'oxygne Pour augmenter lapuissance du moteur, il faut augmenter la puissance de l'explosion dans chaquecylindre. Toutefois, pour avoir une explosion il faut du carburant et... ducomburant.

Le carburant, c'est l'essence ou le gasoil. Le comburant, c'est l'oxygnecontenu dans l'air Pour que l'explosion soit optimale, il faut donc de l'air enquantit suffisante pour que le carburant brle entirement. S'il y a trop decarburant, il y aura des rejets polluants et une combustion incomplte (rejet demonoxyde de carbone par exemple), s'il n'y a pas assez de carburant, l'explosionne sera pas optimale (dilatation des gaz insuffisante).Un moteur ayant (gnralement) 4 cylindres et chaque cylindre ayant unvolume fixe, la quantit d'air admise ne peut pas dpasser cette capacit, sauf enle comprimant.

L'air est compressible, il suffit d'avoir plus d'air pour pouvoir ajouter plusde carburant et obtenir une explosion plus forte.

Figure 1-15 turbocompresseur


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En revanche, s'il y a trop d'air, le rapport stoechiomtrique n'est pasrespect et le moteur peut "cogner" (bruit de cliquetis). C'est pour cela qu'en casde surpression, une valve peut s'ouvrir du circuit d'air frais vers l'chappement(en fait les 2 turbines ne sont pas tout fait symtriques, celle de l'chappementtant plus grosse). La valve de surpression (wastegate) permet de conserver aumoteur un bon rendement. Elle est contrle par un ressort tar une certainepression sur les anciens turbos, sinon il s'agit d'une lectro-vanne controle par l' ECU (electronic control unit) du moteur (il y a alors galement un capteurde pression pour que l'ECU puisse ouvrir ou fermer la vanne au bonmoment).1-5-2-d-4) Intercooler (ou refroidissement air/air) :

L'inconvnient majeur de comprimer l'air dans un volume clos est quecelui-ci s'chauffe. Plus l'air est chaud et plus il se dilate et plus il lui faut deplace.Dans un moteur, l'air compress peut atteindre 160, l'ide de l'intercooler estdonc de refroidir l'air aprs sa compression par le turbo. Ainsi, pour unepression gale, il y aura encore un peu plus d'air dans le cylindre.1-5-2-f)La pompe Haute pression :

Figure 1-16 Pompe haute pression et pompe de transfert

Tte hydraulique

Sortie HP

Rgulateur BP

Retour

Capteur detempraturePompe

HPPompe detransfert

Pompe detransfert

PompeHP

Entre gasoil

Tte hydraulique

Sortie HP

Rgulateur BP


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La pompe haute pression fonctionne en deux phases :

1-5-2-f-1)Phase remplissage :

Pendant la phase de remplissage, la pression de transfert a une valeursuffisante pour carter les pistons plongeurs. Lespace mort entre les deuxpistons permet le remplissage

1-5-2-f-2) Phase refoulement :

Lors de la rotation de lanneau, les galets rencontrent le profil de came.Les pistons se rapproche et comprime ainsi sous forte pression le carburant.Le clapet de refoulement souvre ds que la pression de pompe est suprieure la pression de rail.

1-5-2-f-3) Principe de fonctionnement ou dmarrage :

La batterie alimente, par l'intermdiaire d'un relais, le calculateur et lesdiffrents organes du systme.

Un dispositif d'anti dmarrage cod autorise la mise en route.Ds le dmarrage, il faut deux tours de vilebrequin pour obtenir une pression derampe suffisante (250 300 bars).

Le calculateur relve simultanment la position du vilebrequin grce unsystme de dtrompage sur le volant, ainsi que la position de l'arbre camesgrce au capteur de phase.

1-5-2-f-4) La pompe de transfert :

La pompe de transfert est une pompe palettes. Elle aspire le gasoil dansle rservoir travers le filtre voir figure 1-16.

Elle gave alors la pompe haute pression sous une pression de transfertdenviron 6 bar.

La pompe de transfert est entrane par le mme arbre que la pompe HP(Haute Pression) et donc par la courroie de distribution.

Un clapet de rgulation permet de maintenir la pression de transfert unevaleur quasi constante (environ 6 bar) sur toute la plage de fonctionnement dumoteur en renvoyant une partie du carburant lentre de la pompe.

1-5-2-g) Collecteur d'admission :Rseau de passages qui transporte l'air ou le mlange carbur vers les

orifices d'admission de la culasse, depuis le corps du papillon, une chambre(gaine) et des tubes individuels (canaux). La respiration du moteur est favorisesi le collecteur est conu pour optimiser les impulsions de pression du circuitd'admission.

1-5-2-h) changeur thermique intermdiaire :Refroidit l'air ou le mlange carbur admis qui a t chauff dans un

compresseur. Ressemble un radiateur. Comprend de grands passagesd'admission o l'air est refroidi par l'air extrieur ou par de l'eau.


23

1-5-2-i) EGR (exhaust gaz recirculation) ou RGE (Recirculation des gazd'chappement) :

Recyclage des gaz du carter envoys dans le collecteur d'admission pourdevenir une partie du mlange carbur. Les gaz recycls absorbent la chaleurpendant le processus de combustion et rduisent la temprature atteinte.Cette lectrovanne peut tre assimile un clapet qui permet ou non larecirculation dune partie des gaz dchappement dans le collecteur dadmissionvoir figure 1-17. La recirculation des gaz dchappement a pour but de rduirela quantit dmission polluante doxyde dazote (NOx).Elle est commande par une tension suivant un rapport cyclique douverture(RCO).La commande seffectue au travers dun signal rectangulairedamplitude 12,5 volts la frquence de 140 Hertz.

1-5-2-j) Collecteur d'chappement :

Circuit qui collecte les gaz qui s'chappent de divers orifices et lesachemine vers les catalyseurs et silencieux. Un collecteur avec passagesd'coulement libre bien conu peut favoriser l'vacuation des gaz.

1-5-3) Les diffrents capteurs

1-5-3-a) Le capteur de rgime vilebrequin :

Il est de type inductif voir figure 1-18 . Il est fix sur le carter dembrayage, ilinforme le calculateur de la vitesse de rotation du moteur et de la position dupiston du cylindre n1, grce un creux situ sur la cible et correspondant uncart de deux dents.

Figure 1-18 Capteur de vitesse du moteur

Signal relev du capteur

Figure 1-17 L'lectrovanne EGR


24

1-5-3-b) Le capteur de phase

Ce capteur est du type effet Hall (signal carr), voir figure 1-19. Il estsitu dans la culasse, au niveau de larbre cames. Il permet au calculateur dereprer le cylindre de rfrence pour le dmarrage.

Figure 1-19 Capteur de phase

1-5-3-c) Le transducteur de pdale dacclrateur

Ce capteur est compos de deux potentiomtres.Il transforme laction du conducteur sur lacclrateur en information de chargetransmise au calculateur voir figure 1-20.

Les deux signaux de tension des pistes voir figure 1-20 , compars enpermanence, permettent au calculateur de dtecter un dysfonctionnement ducapteur.

Figure 1-20 Capteur d'acclration

1-5-3-d) Le capteur de temprature de liquide de refroidissement:

Le capteur de temprature du moteur est du type CTN (Coefficient deTemprature Ngatif) voir figure 1-21. Il est implant sur le circuit du liquidede refroidissement.Il informe le calculateur de la temprature du moteur.

8V

Figure 1-21 Capteur de temprature de liquide de refroidissement


25

1-5-3-e) Le capteur de pression de suralimentation

Le capteur de pression d'air du collecteur d'admission est du type pizo-rsistif voir figure 1-22.

Il sert mesurer la pression dans le collecteur d'admission. La tension dusignal est proportionnelle la pression dans le collecteur.

Figure 1-22 Capteur de pression de suralimentation

1-5-3-f) Le capteur de temprature du carburant :

Il est situ sur la pompe haute pression. Cest une thermistance de typeCTN voir figure 1-23. Ce capteur permet au calculateur dapporter descorrections sur le dbit de carburant inject (variation de viscosit ducarburant).

Figure 1-23 Capteur de temprature du carburant

1-5-3-g ) Le capteur de pression de la rampe sphrique :

Ce capteur est du type pizo-rsistif. Il est fix sur la rampe sphriquehaute pression voir figure 1-24. Le signal fourni par le capteur est proportionnel la pression de carburant dans la rampe d'injection.

Figure 1-24 Capteur de pression de la rampe sphrique

1850mbar

1600 bar


26

1-5-3-h) Les capteurs de temprature dair dadmission :Il y a deux capteurs qui mesurent la temprature de lair admis dans le

moteur. Ils sont appels sonde de temprature dair amont et dair aval. C'est--dire avant et aprs le turbocompresseur. Ce sont deux thermistances CTN quiinforme le botier lectronique de la temprature de lair voir figure 1-25.Avec ces deux informations de temprature combine la valeur de pression desuralimentation le calculateur dtermine la masse dair admise.

Figure 1-25 Capteur de temprature d'air d'admission

1-5-3-i) Capteur de pression atmosphrique

Figure 1-26 Capteur de pression atmosphrique1-5-3-j) Le dbitmtre dair film chaud et le capteur de temprature dair dadmission

Le capteur est de type pizo-rsistif.Il est compos de jauges de contrainte et ilmesure la pression atmosphrique. Il estplac lintrieur du calculateur.Son signal est linaire en fonction de lapression atmosphrique ; identique celuide la pression de suralimentation parexemple.

Ce capteur est situ entre le filtre air etla tubulure d'admission.Il permet au calculateur, avecl'information de temprature d'air, dedterminer la masse d'airintroduite dans le moteur. Il participe au bouclage du circuit RGE.Le capteur de temprature d'air incorpordans le dbitmtre est du type CTN.

Figure 1-27 Le dbitmtre dair film chaud et le capteur de temprature dair dadmission


27

1-5-3-k) Capteur de vitesse du vhicule:

5-6 Calculateur de gestion du moteur

Les signaux lectriques mis par les capteurs et les sondes du moteur etdu reste du vhicule sont reus et analyss par les circuits lectroniques ducalculateur.Le calculateur reoit des signaux suivants:

- la position du levier d'acclrateur.- la temprature du liquide de refroidissement.- la temprature du carburant.- le rgime moteur et la position du vilebrequin.- la pression absolue et la pression rgnant dans le collecteur d'admission.- le capteur de vitesse d'avancement.- le contacteur de frein et d'embrayage.- le dbit massique et la temprature d'air.

Le calculateur met des signaux qui servent commander tout ou partiedes fonctions suivantes :

Les injecteurs (de type lectrique uniquement) - en contrlant le tempsd'ouverture de chaque injecteur. Le relais de pompe carburant. L'lectrovanne de calage d'injection. Le dispositif de rglage de la quantit de carburant. L'lectrovanne de commande de pression de carburant. Le systme de commande du ralenti. Le systme EGR. L'lectrovanne de dcharge du turbocompresseur. L'lectrovanne d'admission d'air dans le collecteur.

Le capteur est soit du type inductif soit effet Hall.Il est situ en sortie bote de vitesses.Le capteur permet au calculateur deconnatre diffrentes configurationsdutilisation du vhicule :- arrt ou roulant ;- en dclration ou en acclration ;- le rapport de bote de vitesses engag ;- etc.

Figure 1-28 Capteur de vitesse de vhicule


28

Le relais des bougies de prchauffage. La lampe tmoin des bougies de prchauffage. L'autodiagnostic des pannes (indiqu par la lampe tmoin d'affichage des

dfauts ou un tmoin spcial sur le tableau de bord . Un mode de secours qui prend le relais en cas de dfaillance d'un ou de

plusieurs capteur(s) essentiels en substituant aux donnes errones unevaleur moyenne programme en mmoire, ce qui permet de conduire levhicule jusqu' un garage pour rectification

L'unit centrale prend galement en compte les diffrentes phases defonctionnement :- au dmarrage, le dbit de surcharge.- au ralenti, le dbit poste poste contrl.- en marche normale, l'amortissement actif des -coups et le dbit adapt aubesoin.

1-7 Les missions polluantes:

1-7-1 Les missions du moteur Diesel :

La combustion du gasoil dans un moteur Diesel gnre un certain nombrede rsidus. Ceux-ci dcoulent des ractions chimiques complexes de lacombustion et dpendent essentiellement :

- du carburant utilis ;- de la temprature de fonctionnement du moteur ;- de la conception de la chambre de combustion ;- du systme d'injection ;- des conditions dutilisation.

La ralisation dune combustion la plus complte possible contribue une production minimum de rsidus. Une adquation parfaite entre la quantitmaximum de carburant et l'air contenu dans la chambre de combustion, ainsiqu'un brassage optimal, limitent la production de polluants.Une combustion correcte engendre une production d'eau (H2O) et de dioxydede carbone (CO2), produits considrs comme non polluants.

Il se forme aussi dans de faibles proportions une srie de compossindsirables:- monoxyde de carbone (CO) ;- hydrocarbures imbrls (HC) ;- oxydes d'azote (NOx) ;- particules de suie.


29

La figure 1-29 reprsente les missions du moteur Diesel.

Les solutions proposes pour rduire la production de polluants passentpar :- un systme d'injection performant ;- la mise enuvre d'un catalyseur d'oxydation ;- un systme de recyclage des gaz d'chappement ;- un filtre particules.

Il convient de prciser que moins de 1% des gaz d'chappement rejetspar le moteur sont nocifs.1-7-2 Lvolution de la lgislation sur les missions polluantes

Depuis 1990, le taux de rejets de gaz d'chappement dans l'atmosphreest limit par la normalisation europenne (normes Euro).Le tableau suivant reprsente l'volution des missions polluantes

La dernire norme Euro 4 est la norme de moteur Diesel haute pressions rampe commune qui est la moins polluante.

,

Figure 1-29 Les missions du moteur Diesel


30

1-8 Comparaison entre le moteur Diesel injection direct rampecommune et le moteur essence :

A titre du comparaison on peut citer les avantages et les inconvnientsdu moteur Diesel rampe commune par rapport ou moteur essence

1-8-1) Avantages du moteur Diesel : Meilleur rendement : grce l'augmentation du rapport volumtrique lacombustion est plus complte et la consommation spcifique est rduite (enmoyenne de 200 g/kW/h contre 330 g/kW/h pour le moteur essence). Le couple moteur est plus important et il reste sensiblement constant pour lesfaibles vitesses. Le combustible employ cote moins cher. Les risques d'incendie sont moindres car le point d'inflammation du gasoil estplus lev que celui de l'essence. Les gaz d'chappement sont moins toxiques car ils contiennent moins d'oxydede carbone.1-8-2) Inconvnients: Les organes mcaniques doivent tre surdimensionns. Le bruit de fonctionnement est lev. La temprature dans les chambres de combustion est leve ce qui impliqueun refroidissement plus efficace. L'aptitude au dmarrage froid est moins bonne qu'un moteur allumageCommand.

1-9 Conclusion :

Ce chapitre reprend une vue sur le principe de fonctionnement de moteurDiesel injection directe, la structure, les lment principaux ; les diffrentscapteurs et actionneurs, avec indication des diffrentes caractristiques.

Enfin on peut dire que le moteur Diesel injection directe, aliment par unsystme d'injection haute pression gestion lectronique, offre un rendementsuprieur tous les autres moteurs thermiques, avec une diminution de laconsommation et une rduction des missions polluantes.

Chapitre2 : Modlisation du moteur Diesel

32

2.1 Modlisation du systme:

Le grand problme de lautomaticien est de reprsenter ces systmesphysiques avec une prcision suffisante et un modle de structure simple. Ledilemme rside alors entre la fidlit du modle vis-a-vis du processus rel etladquation de ce modle une forme mathmatiquement exploitable.

En automatique, pour dcrire le comportement dun systme, On peutappliquer les mthodes de linarisation du systme car les techniquesdanalyse des modles linaires, dits LTI (linear transversal invariant), sontlargement dveloppes dans la littrature. Cependant, lhypothse de linaritnest vrifie que dans une plage de fonctionnement restreinte autour dun pointdquilibre du systme. Alors, les performances du modle se dgradent dsquon sen loigne, la recherche dun modle plus adapt et notamment nonlinaire devient ncessaire.Nous reprsentons ici la modlisation du moteur Diesel injection directe rampe commune, qui repose sur les lois physiques et les relationsthermodynamiques issues de la combustion pour plus dinformation on peutconsulter les bibliographies suivantes : [Fris 96], [Fred 98], [Ande 99], [Erik99] [Olpf 00], [Ober 01], [Paro 03], [Ritz 03] , [Mart 04], [Nils 04], [Vict04], [Jung 05].

La figure (2-1) montre la reprsentation du systme de circulation d'airdans un moteur Renault quip de turbo compresseur.

Figure 2-1 Installation d'un turbocompresseur sur un moteurAutomobile ( schmatis par Renault)


33

2-2 Modle de la dynamique de l'airEn ce qui concerne ladmission dair, les variables dynamiques qui sont

gnralement considres sont : la pression dans le collecteur, et ventuellementle taux de rcirculation du gaz dchappement. La figure 2-2 reprsente leschma de principe des diffrents dbits massiques dans le moteur Renault K9K, 4 cylindres en ligne, alimentation rampe commune, avec suralimentation parturbocompresseur.

2-3 Modle du collecteur dadmission :

Les moteurs Diesel sont connus sous le nom de CIE (compressionignition engins), gnralement quips par turbocompresseur pour augmenterla quantit dair installe dans les cylindres.La modlisation la plus frquemment utilise reprsente le collecteurdadmission comme un rservoir contenant un mlange gazeux considrparfait voir [Bida 89], [Bort 98], [Nieu 00] , dans lequel la pression Pcol variesuivant un quation diffrentielle non linaire .

La loi de gaz idale s'exprime par : VTRmp ( 2-1)

Cette loi peut tre employ pour driver le changement de pression dans lecollecteur d'admission. En diffrenciant l'quation:

adc

adc

adc

adcadc

V

TRm

V

TRmp

_

_

_

__

(2-2)

Et parce que la variation de la temprature est trs faible dans le temps on

considre que : 0_

adcT Donc :adc

adcadc V

TRmp

_

__

( 2-3)

Dans notre systme avec l'introduction de la dynamique d'air avec EGR ,

on a alors : Tegraa mmmdtdM

( 2-4)

egrm

chM

cm

Tm

egrm

Mc

adcP

Ma

_

Figure 2-2 Schma simplifie du moteur Diesel avec llectrovanne EGR


34

La dsignation des variables prsentes sur le tableau 2-1 :TABLEAU 2-1

Ensemble des variables relatives aux quations du modleVARIABLE Dsignation

cpa Chaleurs massiques daircpg Chaleurs massiques daire du collecteur dchappemente fficacit (refroidissement dair suraliment)Itot l'inertie totale de moteurJ Moment polaire dinertieMa Masse de gaz dans le collecteur d'admissionMc Masse de gaz dans le collecteur dchappementMch Moment de chargema Masse de gaz traversant le compresseurmc Masse de gaz traversant la turbinemegr Masse de gaz traversant EGR

fm Dbit d'injection

mT Masse d'air dans le cylindreN Vitesse du moteurNTC Vitesse de la turbineqa Le dbit dair traverse le compresseurqg Le dbit dair traverse la turbineQHV Chaleur spcifiquePc_ad Pression dans le collecteur d'admissionPc_c Pression dans le collecteur dchappementPf Puissance perdue par frottementPT Puissance dlivre par la turbineP1 Pression en amont du compresseurP2 Pression en avale du compresseurP4 Pression en amont de la turbineP5 Pression en avale de la turbineR Constante de gaz parfaitTc_ad Temprature de collecteur d'admissionTc_c Temprature de collecteur dchappementTegr Temprature dair dans la vanne EGR Tr Temprature de liquide de refroidissementT1 Temprature en amont du compresseur (temprature de latmosphre)T2 Temprature en avale du compresseurT3 Temprature en amont du refroidisseurT4 Temprature en amont de la turbineT5 Temprature avale de la turbinexegr Taux de rcirculation du gaz dchappementXVGT Variation de la gomtrie de la turbineC Rendement isentropique compressionTM Rendement mcanique de la turbineT Rendement isentropique la turbinevol Efficacit volumique Coefficient de Poisson


35

La masse de gaz dans le collecteur d'admission est:adc

adcadca TR

PVM

_

__

(2-5)

On dduit : )(_

__ Tegra

adc

adcadc mmmV

TRP (2-6)

Lapplication de la 1re loi de la thermodynamique (conservation dnergie) aucollecteur dadmission implique lquation :

adcvaadcvaTTegregraa TcMTcMhmhmhm __

h est lenthalpie du gaz donn par :1

RTh xx ,

est le facteur de poisson =cp /cv=1.4cp Chaleur massique dair a pression constante

cv Chaleur massique dair a volume constant 1R

cv

On a donc :

adcTegraadCTegregradca TRmmmRTmRTmRT

TRM__3a

_

1)(

111m

)1(

Do :a

adcTadcegregradcaadc M

TmTTmTTmT ___3_

)1()()( (2-8)

2-4 Moteur suraliment par turbocompresseur :

2-4-1 Caractristiques fonctionnelles :Dans un moteur suraliment par turbocompresseur, la masse volumique

de lair dadmission est augmente du fait de la compression de lair dans lecompresseur et, ventuellement, du fait du refroidissement de lair comprim autravers dun changeur plac entre compresseur et moteur. La turbine est placesur le circuit de gaz dchappement et entrane mcaniquement le compresseur.

Le dbit dair ncessaire au fonctionnement du moteur dpend de lapuissance fournie et des conditions de fonctionnement du moteur au pointconsidr. Le rapport air/combustible (A/C) peut atteindre une valeur minimale(de lordre de 17/1) pour assurer de bonnes conditions de combustion et viterles fumes et/ou les tempratures excessives lchappement.

2-4-2) Puissance de compression:

La compression de lair saccompagne dune lvation de sa temprature.Les changes thermiques entre le compresseur et lextrieur sont faibles parrapport aux dbits dair traversant le compresseur et on peut considrer que lacompression de lair est une transformation adiabatique. Dans ce cas, lapuissance ncessaire la compression isentropique de lair de dbit qa estdonne par : PC is = qa cpa ( T2 T1)is (2-9)

(2-7)


36

Avec :

1)(

1

1

2112

pp

TTT is (2-10)

En pratique, la compression de lair ntant pas isentropique, llvationde temprature relle de lair est plus grande que la valeur isentropiquecorrespondant la transformation thorique rversible. Le rapport entre lapuissance de compression thorique isentropique et la puissance decompression relle dfinit le rendement de compression isentropique (C) quipermet dcrire lexpression de la puissance de compression relle suivante :

)( 12 TTcpqP

P aac

iscc (2-11)

La dfinition prcdente permet dcrire la formule :

12

1

1

21 1

TT

PPT

c

(2-12)

La valeur maximale du rendement du compresseur dpend de saconception et de ses dimensions. Les compresseurs utiliss en automobile ontune roue de grand diamtre, gal 50 mm environ, et un rendement maximal de80 %. On peut esprer obtenir un rendement de 84 % avec un compresseur de100 mm de diamtre sur un moteur industriel, dans notre application on prendrac = 61%.

Le dbit dair la sortie de compresseur sexprime par la relation :

2-4-3) Utilisation de lnergie des gaz dchappement :

2-4-3-a) Dtente des gaz dchappement et puissance de la turbineLa dtente des gaz dans la turbine peut tre considre comme une

dtente adiabatique car le dbit de gaz est relativement important au regard despertes thermiques.La puissance dlivre par la turbine est proportionnelle au dbit de gaz qg ainsiqu la diffrence de temprature due la dtente des gaz. La puissancethorique obtenue lors dune dtente adiabatique rversible est donne par :PT is = qg cpg ( T4 T5)is (2-14)Avec:

P

Pis)(

1

4

5144 5 (2-15)

1

1

1

apadcp

cpPmq

aac

caa

(2-13)


37

En pratique, la dtente nest pas isentropique et la diffrence detemprature obtenue dans la dtente est infrieure la valeur isentropiquethorique. Comme pour le compresseur, on dfinit un rendement isentropiquequi est le rapport entre la puissance rcupre la turbine et la puissancethorique qui serait obtenue lors dune dtente adiabatique rversible.

La puissance relle fournie par la turbine est donc donne par lesrelations suivantes :

P

PcqTTcqP TpgpgpgsT

1

4

514

)( 54

2-4-3-b) Rendement de la turbineLe rendement isentropique de la turbine, ainsi que dfini ci-dessus, est le

rapport entre la puissance dlivre par la dtente des gaz dans la turbine et lapuissance thorique obtenue lors de la dtente rversible correspondante. Enpratique, les fabricants de turbocompresseurs associent au rendementisentropique de la turbine les pertes dnergie entre la turbine et le compresseur(pertes thermiques et frottements) et comparent la puissance dlivre par lecompresseur celle de la dtente thorique isentropique de la turbine. Lerendement ainsi dfini est souvent appel rendement turbine et mcanique et estexprim par la relation :

1

4

54

12

1

)(

PP

Tcq

TTcq

pgg

pssTM (2-17)

Lordre de grandeur de ces rendements est de 60 80 %.En prenant TM = 70%.

Ou la dynamique de compresseur peut exprime par :

)(1

tmcc PPP (2-18)

, m sont des constants identifies, 11.0 , 88.0m .

2-4-3-c) Drivation des gaz de turbine (wastegate)Dans le cas de moteurs grande plage de variation de vitesse, comme

cest le cas de tous les moteurs automobiles, il est impratif de donner un degrde libert supplmentaire la turbine pour ladapter aux variationscorrespondantes de dbit dair.

La solution la plus communment utilise consiste driver une partiedes gaz de turbine. Le clapet de drivation (wastegate), souvent intgr au corps

(2-16)


38

de turbine pour des raisons conomiques, est, le plus souvent, command par unvrin pneumatique.

Le dimensionnement de la turbine est effectu de faon obtenir lapression dair souhaite aux faibles rgimes de rotation du moteur, plein couple.Le clapet est alors maintenu ferm. La caractristique de dbit de la turbinechoisie contient donc le point de fonctionnement correspondant ce rgime.

2-4-4)Acclration du moteur suraliment par turbocompresseur :

Lacclration du moteur suraliment par turbocompresseur est trsinfluence par la monte en rgime du turbocompresseur, le couple moteurdpendant dune part de la quantit de combustible pouvant tre introduite, et larapidit de laugmentation de la pression dadmission, et dautre part des effetsngatifs de la contre-pression dchappement due au turbocompresseur.

Le thorme de lnergie cintique nous permet dcrire lquationdquilibre du turbocompresseur :

tdNd

NjppP TCTCfct (2-19)

Le moment polaire dinertie ( J ) est, pour un turbocompresseurautomobile de lordre de grandeur de 2 106 kg m2.

Les pertes par frottement ( Pf ) sont de la forme : 2TCNf ( f coefficientde frottement ), pour un turbocompresseur automobile, de lordre de grandeurde 700 W vitesse de rotation nominale.

2-4-5 Turbine gomtrie variable:

Dans la turbine gomtrie variable, on fait varier la section dentre dela turbine de faon obtenir le rapport de dtente souhait en tout point dufonctionnement, quelles que soient les valeurs de dbit et de temprature desgaz dchappement . Dans la plupart des cas dutilisation actuels, la plage devariation de dbit est suffisante pour que ce dispositif soit utilis seul, sansdrivation complmentaire.

Figure 2-3 Turbine gomtrie variable ailettes pivotantes


39

Diffrents dispositifs de turbines gomtrie variable sont utiliss ou endveloppement. Le systme ailettes pivotantes (figure 2-3) est le plus connuactuellement ; dans les applications automobiles, il possde un rendementmaximal de 65% environ et permet une variation de dbit de plus ou moins50 % par rapport au dbit de rendement maximal dans des conditions derendement suprieur 50 %.

Les quations exprimentales sont employes pour obtenir lcoulementde la masse circulant dans la turbine, est :

)(_)(

1)(

VGTXC

a

ccVGT p

pXB

VGTc eXAm (2-20)

2

2

2

00444812.0044875.0721736.0)(

0107156.00285054890534.0)(

000626337.0011445.00566019.0)(

VGTVGTVGT

VGTVGTVGT

VGTVGTVGT

XXXC

XXXB

XXXA

La pression la sortie de la turbine est donne par :)9981.00002.0109(10 2755 cc mmP (2-21)

2-4-6) Refroidissement de lair dadmission

Dans la plupart des applications actuelles, lair dadmission est refroidi la sortie du compresseur, avant de pntrer dans le moteur. Les refroidisseursdair de suralimentation (RAS) peuvent tre air-air ou, pour une plus grandeefficacit, air-eau. Dans ce cas, on peut utiliser soit leau de refroidissement dumoteur, soit leau provenant dun circuit rguler basse temprature (40 oC).Lefficacit dun RAS est dfinie comme tant le rapport entre la chute detemprature du fluide comprim et la diffrence entre la temprature dentre dece fluide celle du fluide de refroidissement :

e = ( T2 T3)/ ( T2 Tr) (2-22)Dans le cas des refroidisseurs air-air, lefficacit dpend de la localisation

de lchangeur et de la vitesse du vhicule. En automobile on peut admettre, enpremire approximation, qu grande vitesse un RAS a une efficacit de lordrede 60 %.

2-5) Les dbits massiques :La manire la plus rpandue pour calculer les diffrents dbits massiques

est d'utiliser les formules de Barr-Stivenant. Le calcul des dbits massiques setrouve de faon dtaille dans les travaux de [Heyw 88], [Torr94], [Truq 97].

2-5-1 Dbit dair dadmissions :Des vhicules de srie actuels alors que les dbits d'admission dans les

cylindres dpendent de variables ventuellement mesurables sur bancs d'essais(pression et temprature dans chaque cylindre).


40

L'utilisation de ce dernier dans un but de commande ncessite de connatre cesgrandeurs, et donc de les estimer (modle dynamique, fonction d'autresvariables mesurables).

D'abord, le taux de dbit de masse d'air dans le moteur est calcul enutilisant les quations suivantes:

V

RT

pNm adc

adcvolT

adc

120_

_

(2-23)ou : adcvpvnnvvnvol pNN _12110 (2-24)

3

8

5

2

1

2

1

0

109272.9100573.1100125.3102119.8

vp

vn

vn

vn

Lidentification de ces paramtres se fait sur un banc d'essai par variationde coefficient d'efficacit volumique vol en fonction de la vitesse du moteur etla pression du collecteur dadmission.

2-5-2 Dbit dair travers llectrovanne EGR :Le circuit EGR est modlis par deux quations exprimentalement

ajustes qui estiment la valeur de x et de m :

(2-25)

.1

2pp

nonsi

12

pp

ispp

pp

PP

0

1

0

1K

2

1

1

1

0

1

12

11

0

12

0

1 1

2

(2-26)

Il peut tre modlis aussi par :

egregrAA 2cos1 (2-27)Aeg

Detection Des Defaut Dans Injection Diesel

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