Thèse Allumage Par Compression Grondin

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  • THSE

    prsente

    pour obtenir le titre de

    Docteur de lUniversit de Rouen

    cole Doctorale Sciences Physiques et Mathmatiques pour lIngnieur

    Discipline : Physique

    Spcialit : nergtique

    par

    Olivier GRONDIN

    MODLISATION DU MOTEUR ALLUMAGE PARCOMPRESSION DANS LA PERSPECTIVE DU

    CONTRLE ET DU DIAGNOSTIC

    Soutenue le 13 dcembre 2004 devant la commission dexamen :

    Michel Trinit, Directeur de Recherche au C.N.R.S. Prsident du Jury

    Lino Guzzella, Professeur lInstitut Fdral Suisse de Technologie de Zrich Rapporteur

    Richard Stobart, Professeur lUniversit de Sussex Brighton Rapporteur

    Pierre Rochelle, Professeur lUniversit de Nanterre, Paris X Rapporteur

    Thierry-Marie Guerra, Professeur lUniversit de Valenciennes Rapporteur

    Jean Maquet, Matre de Confrences lUniversit de Rouen Directeur de Thse

    Christophe Letellier, Matre de Confrences lUniversit de Rouen Examinateur

    Houcine Chafouk, Enseignant-Chercheur lESIGELEC Examinateur

    COmplexe de Recherche Interprofessionnel en Arothermochimie - UMR 6614 - Universit de Rouen.

    Institut de Recherche en Systmes Electroniques EMbarqus - Laboratoire dautomatique - Rouen

    School of Engineering & Information Technology - University of Sussex - United Kingdom

  • Remerciements

    Cette thse sest droule entre Octobre 2001 et Dcembre 2004 dans trois laboratoires de recherche enFrance et en Grande-Bretagne : lUMR 6614-CORIA lUniversit de Rouen, lIRSEEM et le laboratoiredautomatique de lUniversit de Sussex. Cest grce laide et au soutien des personnes rencontres dansces structures que jai pu aboutir dans mon travail et que ces trois annes resteront un trs bon souvenir.

    Je tiens tout dabord faire part de ma reconnaissance Michel Trinit, Directeur de recherche auCNRS, pour mavoir fait lhonneur de prsider le jury. Il est aussi parmi ceux qui ont initi et soutenu lathmatique "contrle moteur" au CORIA.

    Je tiens remercier mes rapporteurs de thse, Lino Guzzella, Professeur LInstitut Fdral Suissede Technologie de Zrich, Thierry-Marie Guerra, Professeur lUniversit de Valenciennes et PierreRochelle, Professeur LUniversit de Nanterre. Lintrt et le regard critique quils ont port sur montravail mhonorent.

    Jadresse un grand merci au Professeur Richard Stobart pour mavoir accueilli pendant trois moisau sein de son laboratoire et pour mavoir confi son banc moteur. Je lui suis trs reconnaissant davoirparticip au jury en tant que rapporteur.

    Je remercie Michel Ledoux, Directeur de lUnit Mixte de Recherche 6614 CORIA et BlacneMazari, Directeur de lInstitut de Recherche en Systmes Electroniques Embarqus, pour mavoir ac-cueilli au sein de leurs laboratoires.

    Jadresse ma profonde gratitude mon directeur de thse, Monsieur Jean Maquet pour sa disponi-bilit et son soutien tout au long de ce travail. Ses remarques objectives, sa confiance et la grande libertquil ma laiss mont permis de mener bien ce travail.

    Ma reconnaissance va ensuite Houcine Chafouk qui a accept de co-encadrer cette thse aveclenthousiasme qui le caractrise et qui ma donn toute sa confiance et ma laiss le champ libre danslorientation du sujet.

    Je remercie galement Christophe Letellier pour le temps et lattention apports au rapport dece mmoire et pour ses prcieux conseils qui mont permis de prparer la soutenance. Il ma appris larigueur, ma transmis son gout pour la recherche et il a su me motiver aux moments cls de ma thse.

    Je remercie vivement Frdric Dionnet, Directeur du CERTAM, pour mavoir reu dans son entre-prise loccasion dune campagne de mesures.

    Jassocie ces remerciements Nicolas Langlois, Enseignant-Chercheur lESIGELEC, pour sonamiti, ses conseils et sa gestion, sans faille, des moyens informatiques et des taches administratives quebeaucoup aiment viter.

    Je remercie les techniciens anglais responsables du banc moteur Caterpillar Ian Wallis et BarryJackson davoir partag leur connaissances, leur passion de lautomobile et pour leur humour "so bri-tish".

    Jadresse aussi ma gratitude aux ingnieurs du CERTAM, Olivier Troel et Mathias Leflamandpour leur sympathie et car ils ne sont pas avares de bons conseils.

  • 4Merci mes camarades doctorants de lUniversit de Sussex Brighton, George, Ireri, Srikar, Andyet Alexandros pour leur accueil chaleureux chacune de mes visites et pour supporter mon accent franais.

    Je remercie mes collgues de lIRSEEM, en particulier ceux qui ont eu la chance de connatre le bu-reau 211 : Mohamed, Mounir, Jean-Franois, Lakdar, Tahar, Ghaleb et Jrmie. Quils sachent que jegarderai en mmoire tous nos moments de connivence et les pauses caf accompagnes de baklawas etautres zlabias. Je ne saurais oublier les stagiaires argentins, Augusto, Mauro et Martin, qui ont apportdans leurs bagages la bonne humeur et la musique de leur grand et lointain pays ainsi que la yerba mat.

    Je suis aussi redevable mes collgues docteurs et doctorants du CORIA avec qui jai partag degrands moments de complicit et grace qui il rgne une ambiance studieuse et conviviale : Toufik,Linda, Sarah, Elie, Dalila, Blend, Alice, Kvin, Nathalie, Mokrane et Clovis. Et ceux avec qui jai euloccasion de partager quelques concerts : Amar, Philippe et Gildas.

    Enfin, je remercie tout particulirement ma famille et mes amis proches pour leurs encouragements.Les valeurs que jai appris deux mont aid franchir cette tape de ma vie, elles maideront encore pourcelles venir...

  • Table des matires

    Table des matires 5

    Table des figures 9

    Liste des tableaux 11

    Introduction gnrale 17

    1 Le moteur Diesel : constitution et principes fondamentaux 211.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 211.2 Architecture dun moteur Diesel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 211.3 Caractristiques gomtriques des moteurs alternatifs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 241.4 Principe de fonctionnement . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26

    1.4.1 Le cycle 4 temps . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 261.4.2 Le cycle thermodynamique du moteur Diesel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27

    1.5 Performances du moteur Diesel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 311.5.1 Le travail par cycle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 311.5.2 Puissance dun moteur alternatif . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 321.5.3 Dfinition des pressions moyennes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 321.5.4 La consommation spcifique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 331.5.5 Le rendement du moteur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33

    1.6 Caractristiques de la combustion dans un moteur Diesel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 341.6.1 Approche globale de la combustion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 351.6.2 Caractrisation dun mlange carbur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 351.6.3 Le mlange air-carburant dans un moteur injection directe . . . . . . . . . . . . 371.6.4 Aspect cintique de la combustion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 381.6.5 Auto-inflammation du carburant . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 381.6.6 Droulement de la combustion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40

    1.7 Le carburant Diesel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 421.7.1 Indice de ctane . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 431.7.2 Pouvoir calorifique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 431.7.3 Autres caractristiques du gazole . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44

    2 Enjeux et fonctions du contrle moteur 472.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 472.2 Vecteurs doptimisation des moteurs combustion interne . . . . . . . . . . . . . . . . . . 472.3 Emissions du moteur Diesel : origines et effets . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49

    2.3.1 Le monoxyde de carbone . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 502.3.2 Les hydrocarbures imbrls . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 502.3.3 Les oxydes dazote . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 502.3.4 Les missions de particules . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 512.3.5 Rejets non soumis la rglementation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51

    2.4 Les normes anti-pollution . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 522.4.1 La rglementation europenne . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53

    5

  • 6 TABLE DES MATIRES

    2.4.2 La rglementation amricaine . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 532.5 Avantages et inconvnients du moteur Diesel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 532.6 Moyens doptimisation du moteur Diesel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57

    2.6.1 Les systmes dinjection Diesel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 582.6.2 Le recyclage des gaz dchappement . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 602.6.3 La suralimentation du moteur Diesel par turbocompresseur . . . . . . . . . . . . . 61

    2.7 Le contrle moteur : objectifs et principes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 632.8 De la modlisation la commande . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 662.9 Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67

    3 Les modles de moteurs adapts la commande et au diagnostic : tat de lart 69

    3.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 693.2 La modlisation des moteurs combustion interne : motivations et histoire . . . . . . . . 703.3 Terminologie et dfinitions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 723.4 Les modles quasi-stationnaires . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 733.5 La mthode "vidange-remplissage" . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 753.6 Les modles valeurs moyennes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 76

    3.6.1 Le modle de Kao et Moskwa . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 773.6.2 Le modle de Jankovic et al. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 783.6.3 Commentaires . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 80

    3.7 Les modles de reprsentation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 803.7.1 Les modles linaires . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 803.7.2 Les modles non-linaires . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 82

    3.8 Discussion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 86

    4 Modlisation du moteur allumage par compression 89

    4.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 894.2 Motivations et choix dun formalisme mathmatique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 904.3 Ecoulements entre les volumes du moteur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 924.4 Modlisation de la chambre de combustion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 94

    4.4.1 Modle du cylindre une zone . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 954.4.2 Simplification du modle pour les simulations en temps rel . . . . . . . . . . . . . 98

    4.5 Vitesse de combustion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 994.5.1 Le modle empirique de Watson . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1004.5.2 Utilisation de la fonction de Wiebe pour dcrire la combustion Diesel . . . . . . . 102

    4.6 Les transferts thermiques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1054.7 Modle de linjecteur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1064.8 Dynamique du vilebrequin . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 107

    4.8.1 Le couple indiqu . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1084.8.2 Le couple de frottement . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1094.8.3 Identification de la PMF . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1094.8.4 Le couple alternatif . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1114.8.5 Simplification du modle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 111

    4.9 Les collecteurs dadmission et dchappement . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1124.10 Le turbocompresseur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 113

    4.10.1 Puissance absorbe par le compresseur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1154.10.2 Puissance gnre par la turbine . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1164.10.3 Caractristiques de la turbine et du compresseur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1174.10.4 Interpolation des cartes du compresseur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1194.10.5 Interpolation des cartes de la turbine . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 120

    4.11 Le refroidisseur dair de suralimentation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1224.12 Simulations et validation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1224.13 Conclusion et perspectives . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 124

  • TABLE DES MATIRES 7

    5 Modle comportemental de la pression cylindre dun moteur Diesel 1315.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1315.2 Estimation de la pression cylindre. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1325.3 Prsentation du modle NARMAX . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1345.4 Premire tentative : utilisation des signaux du calculateur . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1375.5 Seconde tentative : utilisation de la vitesse de rotation instantane . . . . . . . . . . . . . 1405.6 Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 143

    Conclusion et perspectives 145

    A Thermodynamique 149A.1 Loi des gaz parfaits . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 149A.2 Lois fondamentales de conservation de la masse et de lnergie . . . . . . . . . . . . . . . . 149A.3 Constantes thermodynamiques usuelles . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 150

    B Moyens exprimentaux 151

    C Exploitation du signal de pression cylindre 157C.1 Dtermination de la PMI . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 157C.2 Calcul de la vitesse de dgagement de chaleur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 158

    D Paramtres du modle 161

    E Publications de lauteur 163E.1 SAE Paper n 2004-01-0423 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 164E.2 Symposium IEEE - Vehicle Power and Propulsion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 181E.3 International Conference on Advances in Vehicle Control and Safety . . . . . . . . . . . . 188E.4 SAE Paper n 2005-01-0029 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 194

    Bibliographie 203

    Index 213

  • 8 TABLE DES MATIRES

  • Table des figures

    1.1 Moteur Diesel quatre cylindres . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 221.2 Reprsentation schmatique dun moteur combustion interne . . . . . . . . . . . . . . . 241.3 Dcomposition du cycle quatre temps du moteur Diesel . . . . . . . . . . . . . . . . . . 261.4 Machine thermique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 281.5 Cycle de Carnot . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 281.6 Diagramme de Clapeyron du cycle Diesel idal . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 301.7 Diagramme de Clapeyron du cycle mixte idal . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 301.8 Diagramme pression-volume . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 311.9 Chane du rendement du moteur combustion interne . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 341.10 Plage dinflammabilit dun mlange carbur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 371.11 Reprsentation simplifie dun jet de gazole . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 371.12 Domaines doxydation dun mlange stchiomtrique dhydrocarbure et dair . . . . . . . 391.13 Evolution de la concentration de radicaux libres en fonction du temps . . . . . . . . . . . 391.14 Vitesse de dgagement de chaleur dans un moteur Diesel injection directe . . . . . . . . 411.15 Evolution de la pression en fonction de langle vilebrequin dans un moteur Diesel . . . . . 421.16 Schma de principe de la distillation sous pression atmosphrique . . . . . . . . . . . . . . 421.17 Hydrocarbures lgers de la famille des alkanes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42

    2.1 Evolution des concentrations despces polluantes en fonction de la richesse du mlange . 492.2 Les rglementations anti-pollution en Europe et aux Etats-Unis. . . . . . . . . . . . . . . 522.3 Cycles de conduite NEDC et FTP . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 542.4 Systme dinjection accumulateur "Common Rail" . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 592.5 Reprsentation dune boucle de recyclage externe des gaz dchappement . . . . . . . . . . 602.6 Comparaison du cycle mixte dun moteur aspiration naturelle et dun moteur suraliment 622.7 Turbocompresseur gomtrie variable . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 632.8 Schma de reprsentation du distributeur ailettes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 632.9 Comparaison des performances du moteur en fonction du type de suralimentation . . . . . 64

    3.1 Historique des techniques de modlisation du moteur allumage par compression . . . . . 713.2 Schma fonctionnel dun modle quasi-stationnaire dun moteur Diesel suraliment . . . . 733.3 Caractristiques linarises du sous-systme "combustion" dun modle quasi-stationnaire 743.4 Mthode "vidange-remplissage" applique au collecteur dadmission . . . . . . . . . . . . 753.5 Moteur Diesel quip dune vanne de recirculation des gaz dchappement et dun turbo-

    compresseur gomtrie variable. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 793.6 Schma fonctionnel dune boucle de rgulation du rgime moteur . . . . . . . . . . . . . . 813.7 Signal de commande, couple moteur et signal de sortie du modle . . . . . . . . . . . . . . 813.8 Rseau de neurones de type perceptron une couche cache . . . . . . . . . . . . . . . . . 84

    4.1 Schma de reprsentation du moteur dessai . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 914.2 Reprsentation schmatique dune contraction de veine . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 934.3 Lois de leve des soupapes et aires effectives des coulements . . . . . . . . . . . . . . . . 944.4 Dbits des gaz admis et refouls du cylindre . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 954.5 Application de la mthode "vidange-remplissage" au cylindre . . . . . . . . . . . . . . . . 954.6 Volume normalis du cylindre et sa drive en fonction de langle vilebrequin . . . . . . . 994.7 Fraction de masse brle et vitesse de combustion du carburant . . . . . . . . . . . . . . . 101

    9

  • 10 TABLE DES FIGURES

    4.8 Comparaison des vitesses de combustion exprimentales avec le modle . . . . . . . . . . . 1044.9 Evolution du coefficient de transfert convectif

    . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1064.10 Schma de reprsentation de lensemble moteur dynamomtre . . . . . . . . . . . . . . . . 1074.11 Mthode de la droite de Willans pour la dtermination de la PMF . . . . . . . . . . . . . 1104.12 Position, vitesse et acclration du piston . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1124.13 Schma de reprsentation du turbocompresseur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1144.14 Diagramme enthalpie-entropie du compresseur. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1164.15 Diagramme enthalpie-entropie de la turbine. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1164.16 Caractristique dbit-pression dun compresseur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1184.17 Approximations des caractristiques du turbocompresseur . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1214.18 Validation du modle du rendement de lchangeur de chaleur . . . . . . . . . . . . . . . . 1234.19 Structure du modle GT-Power du moteur Caterpillar . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1264.20 Environnement de simulation Matlab/Simulink . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1264.21 Comparaison avec le code de calcul GT-Power . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1274.22 Comparaison de la pression cylindre mesure et simule . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1284.23 Comparaison de la vitesse instantane du vilebrequin mesure et simule . . . . . . . . . . 129

    5.1 Donnes de pression cylindre pour lidentification du modle NARMAX. . . . . . . . . . . 1385.2 Rsultats de lidentification . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1395.3 Comparaison du modle NARMAX avec les donnes de pression . . . . . . . . . . . . . . 1405.4 Exemple de donnes pour lidentification du modle NARMAX . . . . . . . . . . . . . . . 1415.5 Comparaison entre la pression cylindre calcule partir du modle de connaissance et le

    modle NARMAX . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 142

    A.1 Systme thermodynamique ouvert . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 149

    B.1 Banc moteur exprimental Caterpillar 3126B . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 151B.2 Structure et quipements du banc dessai de recherche . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 154B.3 Courbe de pleine charge et points stabiliss visits pour la cartographie du moteur . . . . 155

    C.1 Superposition de 50 cycles de pression cylindre . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 157

  • Liste des tableaux

    1.1 Classement et description des diffrentes ractions en chane radicalaire . . . . . . . . . . 391.2 Pouvoirs calorifiques massique et volumique de carburants commerciaux . . . . . . . . . . 44

    2.1 Evolution des plafonds des agents polluants rglements pour lUnion Europenne . . . . 532.2 Evolution des plafonds des agents polluants rglements aux Etats-Unis . . . . . . . . . . 542.3 Comparaison des performances du moteur Diesel et du moteur essence . . . . . . . . . . . 56

    3.1 Application de la technique NARMAX la modlisation des moteurs . . . . . . . . . . . . 833.2 Modlisation des moteurs par rseaux de neurones . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 853.3 Tableau rcapitulatif des caractristiques des principales techniques de modlisation . . . 87

    4.1 Constantes des fonctions de Wiebe. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1034.2 Valeurs des coefficients de la corrlation de Woschni . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1064.3 Rcapitulatif des variables dtat du modle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 123

    A.1 Liste des constantes thermodynamiques usuelles . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 150

    B.1 Principales caractristiques du moteur dessai . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 152B.2 Description de linstrumentation disponible . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 154

    11

  • 12 LISTE DES TABLEAUX

  • Nomenclature

    Abbreviations franaisesAOA Avance lOuverture dAdmission

    AOE Avance lOuverture dEchappement

    FAP Filtre A Particules

    PMB Point Mort Bas

    PMH Point Mort Haut

    RAS Refroidisseur dAir de Suralimentation

    RFA Retard la Fermeture dAdmission

    RFE Retard la Fermeture dEchappement

    Acronymes anglo-saxonsARMAX AutoRegressive Moving Average with eXogenous inputs

    CFD Computational Fluid Dynamics

    CFR Cooperative Fuel Research

    DISC Direct Injection Stratified Charge

    EGR Exhaust Gas Recirculation

    EPA Environmental Protection Agency

    ERR Error Reduction Ratio

    EUDC Extra Urban Driving Cycle

    FTP Federal Test Procedure

    HCCI Homogeneous Charge Compression Ignition

    HEUI Hydraulic Electronic Unit Injector

    JANAF Joint Army, Navy and Air Force

    MIMO Multi-Input Multi-Output

    NARMAX Nonlinear AutoRegressive Moving Average with eXogenous inputs

    NEDC New European Driving Cycle

    SISO Single-Input Single-Output

    VGT Variable Geometry Turbocharger

    Chimie

    Hydrocarbure non spcifi

    13

  • 14 LISTE DES TABLEAUX

    Monoxyde de carbone

    Dioxyde de carbone

    Radical hydrogne

    Eau

    Hydrocarbures imbrls

    Azote

    Oxydes dazote

    Radical oxygne

    Radical hydroxyle

    Particules (particulate matter)

    Indices admission

    air

    auto-inflammation

    alternatif

    ambiant

    bielle

    compresseur

    combustion

    cylindre

    jonction des deux collecteurs dchappement

    effectif(ive)

    collecteur dchappement numro 1

    collecteur dchappement numro 2

    frein

    carburant (fuel)

    carburant brl (fuel burned)

    frottement(s)

    indiqu(e)

    changeur thermique (intercooler)

    injecteur

    moteur

    !#"$ piston

    "% soupape dadmission

    "% soupape dchappement

    turbine

    turbocompresseur

  • LISTE DES TABLEAUX 15

    Paramtres gomtriques

    Rapport bielle-manivelle []

    Rapport course-diamtre []

    Rapport manivelle-bielle []

    Diamtre de lalsage [m]

    Course du piston [m]

    Longueur de la bielle [m]

    Nombre de cylindres [] Rayon du vilebrequin [m]

    Rapport de compression volumtrique []

    Surface [m

    ]

    Volume [m ]

    Cylindre totale [m ]

    Volume dplac (ou cylindre unitaire) [m ]

    Volume mort [m ]

    Volume total de la chambre de combustion [m

    Position du piston par rapport au PMB [m] Position du piston par rapport au PMH [m]

    McaniqueCouple [N.m]

    Vitesse angulaire [rad/s]

    Position angulaire [rad]

    Moment dinertie [kg.m

    ] Masse [kg]

    Frquence de rotation [s

    ]

    Puissance [W]

    Travail [J]

    Thermodynamique et combustion

    Dbit massique [kg/s] Rendement [] Rapport des chaleurs spcifiques (ou rapport isentropique) [] Exposant polytropique (ou facteur de compressibilit) []

    Cfficient dexcs dair []

    Richesse []

    " Rapport stchiomtrique [] Densit [kg/m ]

    Dlais dauto-inflammation [s]

  • ! Chaleur massique pression constante [J/(kg.K)] Chaleur massique volume constant [J/(kg.K)]

    Cfficient de dcharge (ou cfficient de dbit) []

    Consommation spcifique effective [kg/(W.s)]

    Consommation spcifique indique [kg/(W.s)]

    Energie dactivation [J/mol]

    Enthalpie [J]

    Enthalpie massique [J/kg]

    Cfficient de convection thermique [W/(K.m

    )] Pression [Pa]

    Pouvoir calorifique infrieur [J/kg]

    Pression moyenne effective [Pa]

    Pression moyenne de frottement [Pa]

    Pression moyenne indique [Pa]

    Quantit de chaleur [J]

    Constante universelle des gaz [J/(mol.K)] Constante massique du gaz [J/(kg.K)]

    Temprature [K]

    Energie interne [J] Energie interne massique [J/kg]

    Travail [J]

  • Introduction gnrale

    Linventeur du moteur allumage par compression, Rudolf Diesel tait m par la volont de rem-placer la machine vapeur brlant du charbon par un moteur avec un rendement plus lev et aussiplus propre. Ces considrations demeurent dactualit aujourdhui plus quhier. En effet, partir de laseconde moiti du XXme sicle, lorigine de la pollution a chang et, aujourdhui, le nombre de vhiculessaccroissant, le trafic automobile est devenu un facteur prpondrant dans la qualit de latmosphrealors que les sources de pollution dorigines industrielles sont mieux matrises. Aussi, la volont du lgis-lateur en matire de respect de lenvironnement sest fortement accrue lors des quinze dernires annes,notamment avec lintroduction des normes EURO. Par le biais de normes anti-pollution de plus en plussvres, lindustrie automobile sest logiquement tourne vers loptimisation des moteurs de nos vhicules.

    Le moteur allumage par compression est actuellement le moteur combustion interne le plus per-formant et, grce aux techniques de dpollution, lun des plus propres. Dans lattente de la gnralisationde motorisations encore moins polluantes (vhicule lectrique, pile combustible), il reprsente une al-ternative intressante au moteur allumage command. Les moteurs Diesel modernes sont quips dac-tionneurs contrlables tels que les systmes dinjection "Common-Rail", le turbocompresseur gomtrievariable et la vanne de recirculation des gaz dchappement. Ces actionneurs, introduits graduellementau long des trente dernires annes, ont atteint un niveau de sophistication consquent et ont ouvert lavoie une meilleure matrise de la combustion. Llectronique de commande est devenue incontournable,la rduction des missions polluantes et lamlioration du rendement de combustion reposant en partiesur les lois de pilotage des organes lectromcaniques. Aujourdhui, les motoristes et les automaticienscollaborent afin dtablir les lois de commande de ces composants. Cest au cours de cette tape quinter-viennent les modles, ils sont indispensables pour mieux comprendre le comportement du moteur maisaussi pour faire la synthse et simuler les algorithmes de rgulation.

    Le sujet de recherche abord dans ce mmoire marque le dbut dune collaboration entre deux quipesde recherche issues de laboratoires haut-normands : le CORIA1 et lIRSEEM2. La recherche en Haute-Normandie tant axe sur les domaines du transport et de lenvironnement, linitiation dune thmatiqueassociant modlisation et commande du moteur simposait. Le caractre global du sujet initialement pro-pos, la "modlisation et la commande du moteur allumage par compression", nous a pouss comparerles travaux dj raliss dans le domaine et nous interroger sur notre place. Il est rapidement apparuindispensable de ne pas brler les tapes. Ainsi, le sujet sest recentr sur laspect purement modlisationafin dassoir le projet de recherche sur des bases solides. Pourtant, laspect commande et diagnostic dumoteur na pas t dlaiss, au contraire, il demeure un objectif en cours de dveloppement constituantla ligne directrice parallle de ce travail. Ce mmoire est le fruit de travaux rsultant de ce partenariatet constitue la fondation dun axe de recherche porteur qui sera certainement poursuivi.

    Dans ce contexte, lobjectif de ltude est dtablir un modle du moteur allumage par compressioncapable de reproduire lvolution des variables essentielles pour le contrle et le diagnostic et ce, en tempsrel. Ce modle se prsente comme un outil daide la conception de lois de commande. Les mthodesde modlisation sont nombreuses et nous avions le choix entre plusieurs voies. Nous aurions pu choisirdutiliser directement un des codes de calcul commerciaux existant (GT-Power, Wave). Cependant, ceux-ci sont assez complexes et requirent un cot en temps et en argent pour leur paramtrage. Dautre part,ils ncessitent des ressources consquentes en terme de puissance de calcul. Nous aurions aussi pu nous

    1COmplexe de Recherche Interprofessionel en Arothermochimie.2Institut de Recherche en Systmes Electroniques Embarqus.

    17

  • 18 INTRODUCTION GNRALE

    orienter vers des techniques de modlisation empiriques (modle "bote-noire") tel que les modles basede rseaux de neurones. Malgr la capacit de ces modles apprhender la dynamique de systmescomplexes, ils restent toutefois difficiles gnraliser. Nous avons donc choisi de concevoir un modle0D reposant sur ltude thermodynamique du moteur. Cette approche offre un bon compromis entre laprcision des rsultats et le temps de simulation. De plus, le paramtrage est simplifi. Il constitue doncun intermdiaire et un support idal pour gnrer des donnes.

    Plan du mmoire

    Le prsent document se compose de cinq chapitres : les trois premiers concernent une tude biblio-graphique portant respectivement sur le fonctionnent dun moteur allumage par compression, sur lesenjeux du contrle moteur et un bref tat de lart consacr aux techniques de modlisation. Les deuxderniers chapitres abordent la modlisation du moteur Diesel sous deux angles diffrents et constituentlessentiel de la contribution de ce travail.

    Chapitre 1 : Le moteur Diesel : constitution et principes fondamentaux

    Le premier chapitre sadresse en particulier aux lecteurs peu familiers du fonctionnement dun moteur allumage par compression et des processus physiques impliqus. Ce chapitre dcrit la constitution dumoteur, les indicateurs de performance ainsi que la phnomnologie de la combustion. Toutes les notionsabordes seront videment utiles dans les chapitres suivants.

    Chapitre 2 : Enjeux et fonctions du contrle moteur

    Le second chapitre est essentiellement consacr la dfinition du rle du contrle moteur. Toutdabord, je prsente les grandes tapes dans lvolution du moteur Diesel. A la suite de quoi, je dcrisles contraintes normatives en terme de rejets polluants. Puis, aprs avoir pass en revue les moyensdoptimisation existants, jintroduis le principe de fonctionnement et le potentiel des trois principauxactionneurs mcatroniques quipant les moteurs Diesel modernes : le systme dinjection lectronique,le turbocompresseur gomtrie variable et enfin la vanne de recirculation des gaz dchappement. Leslois de commande de ces systmes sont prpondrantes. Ce chapitre sachve sur la description dunemthodologie pour la mise au point dun systme de gestion du moteur

    Chapitre 3 : Les modles de moteurs adapts la commande et au diagnostic :

    bref tat de lart

    Ce chapitre rcapitule les diffrentes mthodes de modlisation des moteurs alternatifs combustioninterne, en particulier celles adaptes la simulation et la synthse des lois de commande ou de diagnos-tic. Le sujet abord tant interdisciplinaire, jai choisi de prsenter deux catgories de modle : les modlesde connaissance et les modles empiriques issus de lidentification partir de donnes exprimentales.Cette tude vise claircir le sujet et faire converger les deux communauts de chercheurs impliquesdans cette thmatique : les automaticiens et les physiciens ou motoristes. Les techniques sont comparesentre elles et illustres par des exemples issus de la littrature.

    Chapitre 4 : Modlisation du moteur allumage par compression.

    Ce chapitre offre une description dtaille du simulateur dun moteur Diesel industriel six cylindres.Les principaux sous-modles sont prsents successivement : cylindres, collecteurs, turbocompresseur,etc. Le modle propos compile des rsultats de la littrature issus, en particulier, des travaux de pion-niers comme Watson [194] ou Heywood [99]. Les simulations sont ralises dans lenvironnement Mat-lab/Simulink et le modle est ensuite implment sur un calculateur puissant. Ce chapitre se referme surles perspectives et les pistes en cours dtude.

  • INTRODUCTION GNRALE 19

    Chapitre 5 : Modle comportemental de la pression cylindre dun moteur

    Diesel

    Afin de trancher avec le chapitre prcdent, jai souhait explorer la modlisation de la pressioncylindre en utilisant une mthode didentification non-linaire. La variable de pression cylindre est trsriche en information sur la combustion et peut, entre autres, renseigner sur de nombreuses dfaillances.De plus, des indicateurs de performance utiles pour le contrle moteur en sont facilement drivs. Lavolont dtablir un modle de type "bote-noire" est aussi motive par les contraintes de calcul en tempsrel auxquelles le modle de connaissance ne peut rpondre. Il est en effet souhaitable de disposer dunmodle simple, fiable et embarquable dans un calculateur de vhicule. Le choix sest donc naturellementport sur la mthode NARMAX qui runit toutes ces caractristiques. Dailleurs, le moteur Diesel futlun des premiers supports dessais pour dmontrer la capacit du modle NARMAX. Pourtant, ce jour,aucune tentative de modliser directement le signal de pression cylindre en se basant sur cette techniquena t publie. Aprs un bref rappel de la thorie, je prsente deux exemples dapplication qui, dfautdtre directement exploitables, posent de nouveaux problmes.

    Annexes

    Ce document saccompagne de quatre appendices : dans lannexe A sont rappeles les lois de conser-vation issues du premier principe de la thermodynamique ainsi que les constantes usuelles. Lannexe Bprsente le support experimental sur lequel ont t ralises les mesures ncessaires ltablissement dumodle de connaissance prsent au chapitre 4. Au sein de cette annexe sont regroupes les principalescaractristiques du moteur dessai, linstrumentation disponible, celle quil a t ncessaire dimplanteret une brve description de la campagne de mesure. Lexploitation des donnes rcoltes, en particulier,les mthodes de calcul de la pression moyenne indique et de la vitesse de dgagement de chaleur sontdcrites dans lannexe C. Ces dernires sont indispensables pour le calage du modle empirique de com-bustion. Enfin, lannexe D rcapitule les cfficients des principales corrlations algbriques du modlemathmatique.

  • 20 INTRODUCTION GNRALE

  • Chapitre 1

    Le moteur Diesel : constitution et

    principes fondamentaux

    Sommaire

    1.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21

    1.2 Architecture dun moteur Diesel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21

    1.3 Caractristiques gomtriques des moteurs alternatifs . . . . . . . . . . . . 24

    1.4 Principe de fonctionnement . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26

    1.5 Performances du moteur Diesel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31

    1.6 Caractristiques de la combustion dans un moteur Diesel . . . . . . . . . . 34

    1.7 Le carburant Diesel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42

    1.1 Introduction

    Dans ce chapitre nous avons tent de rassembler les connaissances de bases relatives au moteur al-lumage par compression. Nous commenons par dcrire brivement la structure dun moteur Diesel ainsique la fonction des organes lmentaires ( 1.2) et les principales caractristiques gomtriques ( 1.3).Nous voquons ensuite le cycle thermodynamique quatre temps avant de dfinir les rendements descycles thoriques et les indicateurs de performance calculs partir des diagrammes de Clapeyron ( 1.4et 1.5). Dans la section suivante, nous voquons les aspects spcifiques de la combustion dans le mo-teur Diesel depuis lapproche globale jusquau droulement de la raction en passant par la formationdu mlange et les rappels de cintique chimique ( 1.6). Ce chapitre sachve sur la prsentation descaractristiques du combustible Diesel ( 1.7).

    Pour le motoriste ou le physicien averti des phnomnes impliqus dans un moteur combustioninterne, ce chapitre ne constitue quun rappel. Il sadresse plus particulirement lautomaticien soucieuxde se familiariser avec les bases ncessaires pour mieux apprhender le fonctionnement du moteur allumage par compression.

    1.2 Architecture dun moteur Diesel

    Il semble utile avant daborder le fonctionnement du moteur Diesel et les principes thoriques mis enjeu de dcrire les principaux organes qui le composent. La premire section de ce chapitre est consacre laprsentation de larchitecture des moteurs Diesel fonctionnant suivant le cycle quatre temps ( 1.4.1) dau franais Alphonse-Eugne Beau de Rochas (1815-1893). Il existe une autre famille de moteurs Diesel,les moteurs deux temps, dont la conception diffre des moteurs quatre temps. Ce type de moteur, bienque performant et peu encombrant, est plus polluant ; et cest la raison pour laquelle il a presque disparu

    21

  • 22 Chapitre 1 Le moteur Diesel : constitution et principes fondamentaux

    des vhicules de tourisme. Il nen sera pas fait mention dans cette tude. Notons que la structure et leprincipe de fonctionnement des moteurs de petite cylindre quipant les vhicules de tourisme (Fig. 1.1)sont gnralisables aux moteurs de fortes puissances. Les parties essentielles du moteur allumage parcompression sont les suivantes :

    Le bloc-moteur

    Le bloc-moteur ou carter-cylindres est la partie la plus massive, il contient les cylindres et reoit len-semble des organes du moteur : quipement dinjection, vilebrequin, distribution, auxiliaires lectriques,...Le bloc moteur doit tre tanche et robuste afin de resister aux pressions leves qui rgnent dans lescylindres pendant la combustion.

    Fig. 1.1 Moteur Diesel injection directe quatre cylindres en ligne.

    Les cylindres

    Les cylindres sont, soit alss directement dans le bloc moteur, soit constitus par une chemise enaluminium insre dans lalsage. Le nombre de cylindres peut varier selon la nature du moteur deun douze, pour les applications lies aux transports, ou plus sur les machines fixes destines laproduction dnergie. Les moteurs dautomobiles sont toujours polycylindriques (deux douze cylindres),la disposition des cylindres les uns par rapport aux autres dpend de facteurs mcaniques : quilibrage,complexit, refroidissement et compacit du moteur. Les cylindres peuvent tre disposs en ligne (cte--cte verticalement, cest la configuration la plus frquente pour les moteurs des voitures de tourisme), plat (deux cylindres opposs horizontalement) ou en V (disposition oblique pour les gros moteurs desix douze cylindres).

    Le piston

    Le piston est une partie mobile, il coulisse dans le cylindre selon un mouvement rectiligne de va-et-vient, avec la culasse, il dlimite lenceinte o se produit la combustion, communment appele la

  • 1.2. Architecture dun moteur Diesel 23

    chambre de combustion. Le piston est un lment essentiel dans la chane motrice, sa fonction consiste transformer la pression qui sexerce sur son sommet lors de la combustion en effort sur la bielle. Desgorges dans lesquelles se logent les segments (trois cinq) sont usines autour du piston afin dassurerltanchit entre la chambre de combustion et le carter. La tte du piston peut tre plate ou prsenter unrelief (gnralement concave appel le bol). Ce relief contribue la turbulence (ou swirl) dans le cylindreau moment de linjection, favorisant ainsi le mlange air-carburant pralable la combustion.

    La culasse

    Au sommet du bloc-moteur, la culasse, assure la fermeture de la chambre de combustion, elle prsentede nombreux alsages dont, le logement de linjecteur, les ports dadmission et dchappement. La culassesupporte aussi les composants du systme de distribution : les soupapes, les siges de soupape, larbre cames, etc.

    Le dispositif de distribution

    Le systme de distribution gre ladmission de lair frais dans les cylindres puis la vidange des gazbrls. Il est constitu dlments mobiles, les soupapes qui laissent entrer et sortir les gaz du cylindre parles ports dadmission et dchappement. Au repos, elles sont maintenues fermes par des ressorts de rappel,louverture est contrle mcaniquement par le systme compos de larbre cames, des poussoirs et desculbuteurs. Lactionnement des soupapes est aussi ralis par des systmes lectromcaniques en cours dedveloppement qui quiperont les moteurs sans arbre cames dans les annes venir. Larbre cames estcoupl au vilebrequin via une courroie de distribution de telle sorte que sa vitesse de rotation soit deuxfois infrieure celle du vilebrequin. Ainsi, louverture et la fermeture des soupapes sont parfaitementsynchronises avec les mouvements du piston.

    Le systme dinjection

    Le systme dinjection est un organe essentiel car le moteur Diesel ncessite un dosage rigoureux ducombustible. Lintroduction du carburant dans le cylindre est ralise par un ensemble comprenant unepompe qui alimente les injecteurs (un par cylindre) placs sur la culasse. La pompe dinjection garan-tit lalimentation de chaque injecteur, ces derniers sont chargs de laisser entrer la quantit adquate decarburant aux instants dsirs. On distingue deux catgories de moteurs Diesel selon que les injecteurs d-bouchent directement dans le cylindre (injection directe) ou bien dans une chambre annexe dite chambrede prcombustion (injection indirecte). Nous nous intresserons plus particulirement aux moteurs Diesel injection directe, ce choix et la technologie associe seront dtaills dans une partie ultrieure ( 2.6.1).

    Le mcanisme bielle-manivelle

    La majorit des moteurs combustion interne fonctionnent suivant le principe de transformation dumouvement alternatif rectiligne du piston en mouvement circulaire de larbre moteur. Cette transforma-tion est ralise par lintermdiaire de lensemble mcanique bielle-manivelle. Le vilebrequin est form parlarbre moteur et des axes excentriques (les manivelles), la bielle ralise la liaison entre la manivelle et lepiston, leffort des gaz sur ce dernier est alors transmis au vilebrequin. Cette transformation prsente uninconvnient, le mouvement alternatif du piston engendre des variations de la vitesse de rotation. Pourabsorber ces variations, le vilebrequin supporte lune de ses extrmits un volant dinertie. Dautrepart, lordonnancement des cylindres et la conception du vilebrequin sont adapts de manire opti-miser le transfert du mouvement rectiligne en mouvement de rotation. Les critres doptimisation sontgnralement : la rduction des vibrations et la limitation des pulsations de couple sur larbre moteur.

    Refroidissement et lubrification

    Le moteur absorbe la chaleur dgage par la combustion, une partie de celle-ci est cde latmosphrepar rayonnement, mais, pour viter une surchauffe, le moteur est muni dun dispositif de refroidissement.La technique la plus rpandue repose sur la circulation dun liquide de refroidissement dans des "chambres eau" usines dans le bloc moteur autour de chaque cylindre. De lhuile prleve dans le carter infrieur

  • 24 Chapitre 1 Le moteur Diesel : constitution et principes fondamentaux

    PMH

    PMB

    PMB

    PMH

    !

    "

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    Fig. 1.2 Reprsentation schmatique dun moteur combustion interne alternatif.

    du moteur est rpartie grce une pompe vers les parties lubrifier : vilebrequin, parois internes ducylindre, axes et paliers.

    1.3 Caractristiques gomtriques des moteurs alternatifs

    La conception dun moteur alternatif revt un caractre fondamental puisque certains paramtresgomtriques ont une influence prpondrante sur la plage de fonctionnement du moteur en terme dergime, de puissance, de couple et de consommation. Dautre part, la combustion dans un moteur est enpartie gouverne par des phnomnes arodynamiques qui dpendent directement de la gomtrie de lachambre de combustion.

    Cette section prsente les principaux lments de gomtrie et de cinmatique ncessaires la descrip-tion dun moteur alternatif (Fig. 1.2). Le diamtre

    0

    du cylindre est aussi appel alsage, la puissancedu moteur est lie ce paramtre puisque quelle dpend de la surface du piston 1

    0325476

    . Le dplacementdu piston est born par deux points limites : Le point mort haut (PMH) et le point mort bas (PMB).Lorsque le piston est au PMH (respectivement au PMB), alors le volume de la chambre de combustionest minimum (respectivement maximum). La course reprsente la distance 8 parcourue par le pistonentre ces deux points de rfrence. Notons que le rapport entre la course et le rayon de la bielle, 9 , estun paramtre invariant du moteur, la relation suivante est pratiquement toujours respecte :

    8;:=@? correspond au volume balay par le piston entre le PMH etle PMB :

    >A?B:=8

    1

    0

    2

    6 (1.2)

    Quand le piston est au PMH le volume de la chambre nest pas nul, il reste un volume minimal dcritprincipalement par le jeu entre le piston et le sommet du cylindre, cest le volume mort >DC . Le volume

  • 1.3. Caractristiques gomtriques des moteurs alternatifs 25

    mort inclut galement le logement de linjecteur et le bol usin dans la tte du piston et ventuellementle volume de la chambre de prcombustion dans le cas dun moteur injection indirecte. Le volume totalde la chambre de combustion

    est gal la somme du volume dplac

    et du volume mort

    :

    (1.3)

    A partir des relations prcdentes, on dfinit le rapport de compression volumtrique

    aussi appel "tauxde compression", il correspond au rapport du volume total au volume mort :

    (1.4)

    Le rapport de compression intervient dans le calcul thermodynamique du cycle moteur, en fonction de

    ,on peut connatre la pression et la temprature de lair dans le cylindre en fin de compression. Linfluencede ce paramtre sur les performances du moteur Diesel est dterminante, nous verrons par la suite que lerendement en dpend directement ( 1.4.2). Typiquement pour le moteur Diesel,

    est compris entre 10et 25. A partir de la cylindre unitaire et du nombre de cylindres,

    , on dduit aisment la cylindretotale du moteur

    :

    (1.5)

    Les deux paramtres suivants, bien que moins intuitifs que les prcdents, sont tout aussi importants :

    Le rapport course-diamtre

    , informe sur lencombrement en hauteur du moteur et sur lasurface de transfert thermique entre les gaz et les parois du cylindre. Pour les moteurs des vhiculesde tourisme, ce coefficient est gnralement infrieur lunit ; une telle valeur garantit un boncompromis entre lencombrement du moteur et la surface dchange thermique.

    Le rapport bielle-manivelle intervient dans le calcul des efforts mcaniques appliqus la bielle etdans la mise en quation du mouvement du piston.

    (1.6)

    Langle vilebrequin

    Pour ltude du fonctionnement du moteur, il est trs pratique dexprimer lvolution des diffrentesvariables ou la position des parties mobiles en fonction de langle vilebrequin,

    , plutt quen fonction dutemps. La relation entre langle vilebrequin

    , la vitesse de rotation et le temps scrit :

    (1.7)

    Les positions du point mort haut et du point mort bas sexpriment relativement langle vilebrequin,ainsi,

    et

    , o

    dsigne le degr vilebrequin.

    reprsente la frquence derotation du vilebrequin.

    Position du piston dans le cylindre

    La position verticale du piston dans le cylindre peut tre dfinie par la distance (Fig. 1.2) qui sparelaxe du vilebrequin de laxe du piston :

    !

    "#

    %$

    !'&)(

    (1.8)

    On lexprime aussi relativement au PMH ; ainsi, la distance entre le PMH et le sommet du piston estdonne par :

    *

    $

    (1.9)

    *

    *+

    $

    !

    -,

    $

    #

    %$

    !.&/(

    (1.10)

  • 26 Chapitre 1 Le moteur Diesel : constitution et principes fondamentaux

    Vitesse moyenne et vitesse instantane du piston

    La vitesse moyenne du piston, ! , et la vitesse instantane, ! , sont des paramtres importants tantdonn que les efforts de frottement et la turbulence de lair dans le cylindre en dpendent. Puisque quele piston parcours deux fois la distance entre le PMH et le PMB pour une rvolution du vilebrequin, lavitesse moyenne scrit :

    !

    (1.11)

    La vitesse instantane du piston, ! , sobtient par drivation de lexpression (1.9) :

    !

    (1.12)

    !.&/(

    !

    #

    "$

    !'&/(

    (1.13)

    Volume de la chambre de combustion

    Lorsque le piston est au PMH, le volume de la chambre de combustion est gal au volume mort. Donc,pour tout angle vilebrequin, le volume de cette enceinte,

    , est gal la somme du volume mort

    etdu produit de la surface du cylindre par la distance , soit :

    (1.14)

    1.4 Principe de fonctionnement

    1.4.1 Le cycle 4 temps

    PMB

    PMH

    Sadm Sech

    PMH

    PMB

    SechSadm

    PMH

    PMB

    Sadm Sech

    PMH

    PMB

    Sadm Sech

    1er temps : 2e temps : 3e temps : 4e temps :

    Admission Compression Dtente Echappement

    Fig. 1.3 Dcomposition du cycle quatre temps du moteur Diesel, les positions des PMH et PMB

    sont indiques par les lignes en pointills, les soupapes dadmission et dchappement sont respectivement

    dsignes par

    et

    (linjecteur nest pas reprsent).

    Le fonctionnement dun moteur combustion interne se dcompose en tapes lmentaires plusconnues sous le nom de temps moteur. Un temps moteur correspond un trajet du PMH vers le PMB,

  • 1.4. Principe de fonctionnement 27

    ou inversement (soit un demi tour de vilebrequin). La succession de ces temps est quivalente au cyclemoteur, cest--dire la priode de fonctionnement du moteur. On distingue deux types de moteurs, lesmoteurs deux temps (le cycle complet stend sur un tour de vilebrequin) et les moteurs dont la priodecorrespond quatre temps (deux tours de vilebrequin). Le cadre de ltude se limite ltude du moteurDiesel fonctionnant conformment au cycle quatre temps (Fig. 1.3). Ce squencement des oprations t formul pour la premire fois en 1860 par le franais Alphonse-Eugne Beau de Rochas et sa premireralisation pratique en 1876 est due lallemand Nicolaus August Otto (1831-1891) sur un moteur allu-mage command. Voici la description des quatre temps lmentaires dans le cas du moteur atmosphrique allumage par compression :

    1er temps : AdmissionInitialement, le piston se trouve au PMH, la soupape dadmission

    est ouverte et la soupape dchap-pement

    est ferme. Durant sa premire course du PMH vers le PMB, le piston cre une dpression.Lair frais est alors aspir la pression atmosphrique1 travers la soupape

    . La phase daspi-ration ou dadmission sachve par la fermeture de la soupape

    lorsque le piston atteint le PMB.Chaque temps du cycle a son importance : ici, la qualit de ladmission conditionne la puissance du moteurcar la quantit de combustible qui peut tre brle est intimement lie la charge dair dans les cylindres.

    2e temps : CompressionTout au long de cette tape, les deux soupapes sont fermes, le cylindre est donc hermtiquement clos. Levolume de la chambre de combustion diminue mesure que le piston se dplace du PMB vers le PMH.Lair admis prcdemment est alors comprim, sa pression et sa temprature augmentent considrable-ment. Llvation de la pression dans le cylindre dpend du rapport volumtrique (quation (1.4)) : engnral, lissue de cette phase, la pression de lair atteint de fois sa valeur initiale.

    3e temps : DtenteLe combustible liquide est inject sous forme de trs fines gouttelettes lorsque le piston atteint le PMH (lecarburant est parfois inject avant le PMH, ainsi la combustion seffectue " cheval" entre la fin de lacompression et le dbut de la dtente). Au contact de lair chaud comprim, ce carburant commence svaporer puis senflamme spontanment. La combustion libre lnergie du carburant. Il en rsulte uneaugmentation de la pression des gaz dans le cylindre. Le piston, sous leffet de cette pression, est repoussjusquau PMB. Cest pendant cette phase que lnergie mcanique est transmise larbre moteur via lepiston et le systme bielle-manivelle. Le troisime temps sachve lorsque le piston atteint le PMB.

    4e temps : EchappementAu PMB, la soupape dchappement souvre laissant schapper les gaz brls sous leffet de leur pressionet du dplacement du piston. Lorsque le piston se retrouve au PMH, la boucle est boucle, et un nouveaucycle peut alors commencer. Cette tape joue un rle primordial ; En effet, si lexpulsion des gaz brlsest incomplte, la quantit dair frais admissible au cycle suivant sera moindre et le mlange naura pasla mme composition. La variation de la richesse du mlange dun cycle lautre est lune des causes dela dispersion cyclique et, par consquent, de bruits et de vibrations indsirables.

    1.4.2 Le cycle thermodynamique du moteur Diesel

    Le moteur Diesel est une machine thermique au sein de laquelle lnergie thermique est convertieen nergie mcanique. La chaleur est produite par la combustion qui libre lnergie du mlange air-carburant et le travail rsulte de la dtente des gaz. On reprsente habituellement les transformationssubies par le fluide au cours des quatre temps sur un diagramme thermodynamique construit dans leplan pression-volume. On doit cette reprsentation Emile Clapeyron (1799-1864) qui fut le premier donner une interprtation graphique des travaux fondateurs de Sadi Carnot (1796-1832). Ltude ducycle thermodynamique laide du diagramme de Clapeyron permet notamment le calcul des pressionset des tempratures atteintes lors dun cycle ; les motoristes en usent surtout pour calculer les indicateursde performance du moteur et, plus particulirement, le rendement du cycle qui caractrise la qualit deconversion de lnergie du carburant en travail. La dtermination du rendement thorique,

    , du moteur

    1Cette affirmation ne vaut que dans le cas idal, nous verrons par la suite que le remplissage des cylindres nest, en

    pratique, jamais optimal dans les moteurs aspiration naturelle.

  • 28 Chapitre 1 Le moteur Diesel : constitution et principes fondamentaux

    Diesel et des machines thermiques sobtient en gnral en appliquant les premier et second principes dela thermodynamique. De plus, dans un moteur combustion, la nature du fluide de travail se modifiepour passer successivement de lair un mlange carbur et, finalement, aux gaz brls qui sont vacusdans latmosphre ; cette transformation nest pas rversible. Pour simplifier lanalyse, on considre uncycle parfait pour lequel on adopte les hypothses simplificatrices suivantes :

    1. le fluide de travail (de lair) est assimil un gaz parfait, les chaleurs massiques pressionconstante ! et volume constant ont des valeurs fixes (cest--dire indpendantes dela temprature et de la pression) ;

    2. les transformations du cycle thermodynamique sont rversibles ;

    3. le fluide de travail ne subit pas de pertes de charge.

    La machine thermique idale : le cycle de Carnot

    ThermiqueMachine

    Fig. 1.4 Machine thermique.

    Isotherme

    Isotherme

    b

    d

    c

    a

    Adiabate

    Adiabate

    Fig. 1.5 Cycle de Carnot.

    Cest Sadi Carnot que lon doit la formulation des conditions idales du fonctionnement des ma-chines thermiques : il considra le rendement dune machine fonctionnant avec une source chaude latemprature

    et une source froide la temprature

    (Fig. 1.4). Le cycle thermodynamique idalquil obtient alors (Fig. 1.5) est constitu de deux volutions isothermes rversible ( et ) et de deuxvolutions adiabatiques rversibles, cest--dire isentropiques, ( et ). Une quantit de chaleur

    estemprunte la source chaude suivant lisotherme et une quantit de chaleur

    est cde la sourcefroide suivant lisotherme . Par convention, la chaleur reue par le systme est positive et celle cdeest de signe ngatif, tout comme le travail produit :

    ,

    et

    Daprs le thorme de Carnot, le rendement du cycle correspond au rapport du travail effectu,

    , parla quantit de chaleur reue, soit

    (1.15)

    Le travail du cycle est donn par le premier principe

    $

    (1.16)

    et finalement, le rendement du cycle scrit

    $

    $

    (1.17)

    Carnot, en tablissant cette expression, mit en vidence la limite thorique des machines thermiques etlimportance de la diffrence de temprature entre la source chaude et la source froide. Dans son ouvragede 1824 [35], il illustra son propos par une analogie avec une chute deau :

  • 1.4. Principe de fonctionnement 29

    La puissance motrice dune chute deau dpend de sa hauteur et de la quantit du liquide ; la puis-

    sance motrice de la chaleur dpend aussi de la quantit de calorique employ, et de ce quon pourrait

    nommer, de ce que nous appellerons en effet la hauteur de sa chute, cest--dire de la diffrence de

    temprature des corps entre lesquels se fait lchange du calorique.

    Pour un moteur, la combustion joue le rle de la source chaude et lair atmosphrique celui de la sourcefroide. Cependant, le cycle idal dfini par Carnot nest pas ralisable compte-tenu quune diffrencesuffisamment leve entre les tempratures

    et

    implique des volumes importants et des pressionstrs leves. Par exemple, pour

    ,

    -

    ,

    et

    , la pression dpassera-

    et le rapport de compression

    sera suprieur

    - , ce qui est irralisable dans la pratique.

    Le cycle Diesel

    Bien que le cycle de Carnot ne soit pas applicable aux moteurs combustion interne, Rudolf Dieselsen inspira et ladapta afin de limiter la pression maximale atteinte au cours dun cycle. Diesel a dabordremplac lvolution isotherme (Fig. 1.5) par une isobare : lapport de chaleur a alors lieu pressionconstante. Ensuite, pour rduire le rapport de compression et du mme coup la course du piston, ilsubstitua lvolution une isochore. Les phases du cycle thorique de Diesel (Fig. 1.6) sont lessuivantes :

    : admission pression constante ;

    : compression isentropique des gaz, o

    est le rapport de compression volumtrique ;

    : apport dune quantit de chaleur,

    , volume constant par combustion de lacharge dans le cylindre et augmentation du volume dans un rapport

    ;

    : dtente isentropique des gaz jusquau volume initial ;

    : chappement des gaz volume constant jusqu retour la pression initiale ;

    : chappement des gaz pression constante.

    Daprs le premier principe de la thermodynamique, le travail produit

    au cours de ce cycle est gal la diffrence entre la chaleur reue,

    , et la chaleur cde,

    , par le fluide, soit :

    $

    !

    +

    $

    ,

    $

    +

    $

    ,

    (1.18)

    Le rendement scrit :

    $

    (1.19)

    Il vient alors :

    $

    $

    $

    (1.20)

    Sachant que les volutions et

    sont isentropiques, et que le fluide de travail est assimil ungaz parfait (

    "$#

    ), on pose :

    et

    (1.21)

    De plus, en introduisant le rapport des volumes en fin et au dbut de la combustion,

    , le

    rendement scrit :

    $

    $

    +

    $

    , (1.22)

  • 30 Chapitre 1 Le moteur Diesel : constitution et principes fondamentaux

    2 3

    4

    1

    Pression

    0

    Volume

    Fig. 1.6 Diagramme de Clapeyron du cycle

    Diesel idal.

    Pression

    Volume

    2

    3 4

    5

    10

    Fig. 1.7 Diagramme de Clapeyron du cycle

    mixte idal.

    Le cycle mixte ou cycle apport de chaleur pression et volume constants

    En pratique, la combustion dans le moteur allumage par compression ne se droule pas, commela dcrit Diesel, pression constante. Lapport de chaleur se fait partiellement volume constant etpartiellement pression constante suivant un cycle appel cycle mixte ou cycle de Sabath2 (Fig. 1.7).En plus des paramtres caractristiques 9 , et intervenant dans ltablissement du rendement onintroduit , le rapport de la pression maximale ! la pression en fin de compression 2 . Le droulementdu cycle mixte est presque identique celui du cycle Diesel, except lapport de chaleur qui seffectue endeux phases :

    2

    4

    >+ :, .

    Les quantits de chaleur fournies et cdes par le fluide scrivent :

    &

    2

    :.-/10324 6572

    298;:,< (1.23)

    &= *)B:.-?>@0324)65A2!

    8B:,< (1.24)

    &=CED :.-/10324C6572D

    8;F,< (1.25)

    Le rendement en fonction des paramtres caractristiques prend alors la forme :

    GH3I

    :KJ;5

    J

    9LNM

    D

    O

    P

    L

    5,J

    Q!03R5SJ

    8QT

    U5SJPV

    (1.26)

    Remarque 1.4.1 En posant :WJ , lexpression (1.26) correspond au rendement du cycle apport de

    chaleur pression constante (cycle de Diesel) et, pour :XJ , au rendement du cycle apport de chaleur

    pression constante (cycle Otto des moteurs allumage command).

    Comparaison des modles avec le cycle rel

    Les expressions du rendement des cycle thoriques (1.22) et (1.26) ne sont valables que si les hy-pothses simplificatrices sont respectes. Concrtement ce nest jamais le cas, et le diagramme rel dumoteur Diesel (Fig. 1.8(a)) scarte distinctement du diagramme thorique, principalement en raison destransformations subies par le fluide de travail qui ne sont jamais rversibles. Dautres facteurs peuventaggraver lcart entre cycles thorique et rel. Premirement, le moteur est rgl de telle sorte que la

    2Nom de lingnieur franais qui lon doit la formulation de ce cycle : il le ralisa pratiquement vers 1909 en tageant

    linjection de manire brler une partie du combustible pression constante et lautre volume constant [47].

  • 1.5. Performances du moteur Diesel 31

    synchronisation des diffrentes phases ne correspond pas exactement au cycle quatre temps dcrit plushaut. Compte-tenu de linertie des gaz, louverture et la fermeture des soupapes peuvent tre avances ouretardes afin damliorer le remplissage et la vidange du cylindre. Par exemple, si la soupape dadmissionsouvre exactement au moment ou le piston est au PMH la pression qui rgne dans le cylindre sopposera lentre des gaz frais. Il semble plus judicieux de retarder son ouverture afin que le mouvement du pistoncre une dpression favorable lentre des gaz. Dautre part, les changes de chaleur avec les parois dela chambre de combustion ne peuvent tre ngligs. Pendant la phase de dtente, les parois absorbentune certaine quantit de chaleur, ce qui a pour effet de rduire le travail dvelopp. Pendant la phase decompression, cest linverse et les parois cdent une quantit de chaleur lair, augmentant ainsi le travailabsorb par la compression.

    Le diagramme pression-volume du cycle rel (Fig. 1.8(a)) est globalement toujours inscrit lint-rieur du cycle thorique en raison des pertes cites prcdemment. La comparaison du cycle rel avecson cycle de rfrence permet de localiser facilement les parties du diagramme ou les pertes affectent lerendement du moteur. Cet outil facilite donc lanalyse du motoriste qui peut par la suite mettre en placedes corrections adaptes.

    02468

    10121416182022

    PMBPMH volume dplacPa

    boucle de travail positif

    boucle de travail ngatif

    S+

    S _

    (a) pression-volume

    -360 -270 -180 -90 0 90 180 270 3600

    2

    4

    6

    8

    10

    12

    14

    16

    18

    20

    22

    PMBPMB PMH

    admission compression dtente chappement

    PMHPMH

    (b) pression-angle vilebrequin

    Fig. 1.8 Diagramme pression-volume (a) et volution de la pression cylindre en fonction de langle

    vilebrequin (b) dun moteur allumage command pour un cycle. Les valeurs de la pression sont indiques

    en bar,

    est la pression atmosphrique (

    bar).

    1.5 Performances du moteur Diesel

    Nous allons dfinir dans cette section quelques grandeurs essentielles lvaluation des performancesdun moteur combustion interne, les plus importantes sont les suivantes :

    1. le travail par cycle,

    2. la puissance,

    3. la pression moyenne,

    4. la consommation spcifique,

    5. le rendement.

    1.5.1 Le travail par cycle

    Dans un premier temps, on peut dfinir le travail indiqu comme correspondant au travail des forcesde pression transmises au piston par les gaz pendant les quatre temps du cycle moteur. Si on disposedenregistrement de la pression cylindre (Fig. 1.8(b)) et que lon trace son volution en fonction duvolume

    sur le diagramme de Clapeyron (Fig. 1.8(a)), le travail indiqu,

    , est reprsent par la surface

  • 32 Chapitre 1 Le moteur Diesel : constitution et principes fondamentaux

    ferme du diagramme. On calcule sa valeur par intgration de la pression sur deux tours de vilebrequin :

    $

    (1.27)

    Ici, on considre que le travail reu par le gaz est positif et que le travail fourni lextrieur est de signeoppos. Pour un moteur quatre temps, on distingue deux boucles dans le plan

    : le travail indiqucomprend donc deux composantes distinctes. La surface de la boucle positive,

    , se rapporte au travaildes gaz pendant les phases de compression et de dtente : cest le travail indiqu brut

    . La surface dela boucle ngative,

    , correspond au travail absorb par le remplissage et la vidange du cylindre : onlappelle le travail de pompage,

    ! . La relation entre le travail indiqu brut et le travail indiqu est donc :

    $

    !

    (1.28)

    On diffrencie le travail indiqu du travail effectif,

    , disponible sur larbre moteur ; ce dernier est galau travail indiqu diminu de la quantit de travail perdue par frottement

    :

    "

    (1.29)

    avec

    (1.30)

    On dcompose le travail de frottement en deux composantes distinctes : la premire,

    , est conscutiveaux frictions mcaniques entre les parties mobiles et les parties fixes du moteur (le frottement du piston surla chemise par exemple). La seconde,

    , correspond au travail dentranement des accessoires, cest--dire ncessaire lactionnement des organes priphriques du vhicule (pompe de carburant, alternateur,pompe de refroidissement, ventilateur, climatisation, actionneurs lectromcaniques, etc.).

    1.5.2 Puissance dun moteur alternatif

    La puissance dun moteur se dfinit par lnergie (en joules) que le moteur fournit par unit detemps (une seconde), son unit est le Watt. La puissance effective correspond la puissance recueillie surlarbre moteur. Son expression est donne par la relation fondamentale :

    %

    (1.31)

    o est la vitesse de rotation du moteur en rad/s et

    le couple effectif en N.m mesur laide dundynamomtre ou dun frein sur banc dessai. La relation entre la puissance (unitaire) et travail par cycleest donne par :

    (1.32)

    On a donc :

    %

    (1.33)

    (1.34)

    La puissance perdue par frottement

    respecte la relation :

    $

    (1.35)

    Typiquement, la puissance (totale) des petits moteurs Diesel dautomobile est comprise entre 40 et 150 kWalors que pour les moteurs de vhicules lourds, elle varie entre 150 et 400 kW.

    1.5.3 Dfinition des pressions moyennes

    Le travail et la puissance dun moteur dpendent de sa gomtrie. Afin de comparer les performancesde moteurs de cylindres diffrentes les motoristes utilisent des grandeurs relatives appeles pressionsmoyennes. On les calcule en divisant le travail par le volume dplac

    . Une pression moyenne na bienvidemment pas de ralit physique puisquelle correspond thoriquement la pression constante quil

  • 1.5. Performances du moteur Diesel 33

    faudrait appliquer la surface du piston tout au long dune course motrice afin dobtenir le mme travailque celui fourni par le moteur. Les expressions de la pression moyenne indique

    et de la pressionmoyenne effective

    sont donnes par :

    travail indiqu par cyclevolume dplac par cylindre

    (1.36)

    travail effectif par cyclevolume dplac par cylindre

    (1.37)

    La diffrence entre la

    et la

    est consquente aux pertes par frottements ; on introduit alors lapression moyenne de frottement :

    $

    (1.38)

    1.5.4 La consommation spcifique

    La consommation spcifique,

    , informe sur la capacit dun moteur convertir lnergie du carburanten travail. Elle est gale la masse de combustible consomme,

    , par unit de puissance :

    (1.39)

    La valeur de la consommation spcifique sera dautant plus faible que le moteur exploite efficacementlnergie du carburant. Relativement aux dfinitions prcdentes des performances du moteur, on distinguela consommation spcifique indique,

    , et la consommation spcifique effective,

    :

    (1.40)

    (1.41)

    La consommation spcifique est une grandeur bien adapte pour comparer entre eux des moteurs quisont, soit de cylindres diffrentes, soit qui nutilisent pas le mme combustible. Prcisons toutefois quellevolue avec le rgime moteur et la charge applique.

    1.5.5 Le rendement du moteur

    Comme toutes les machines, en particulier les machines thermiques, le moteur Diesel ne restitue pasintgralement en travail mcanique lnergie fournie par le carburant. En premier lieu, le moteur nefonctionne pas suivant le cycle thermodynamique thorique. De plus, une partie de lnergie chimiquedisponible est perdue par frottement des ensembles mcaniques alors quune autre partie de cette nergieest perdue par dissipation thermique (liquide de refroidissement, huile, gaz dchappement). La chanedu rendement (Fig. 1.9) est donc la suivante :

    1. Le rendement global : on lappelle aussi le rendement effectif : il inclut toutes lespertes, quelles soient dorigine mcanique ou thermique. Il est gal au rapport du travailmcanique effectif,

    , sur la quantit de chaleur,

    , susceptible dtre gnre parla combustion complte du carburant introduit dans le cylindre :

    %

    (1.42)

    Si est la masse de combustible injecte pour un cycle et

    le pouvoir calorifiquedu combustible ( 1.7.2), alors la quantit de chaleur,

    , est donne par la relation :

    (1.43)

    2. Le rendement mcanique : cest le rapport entre le travail disponible sur le vilebre-quin

    et le travail indiqu des gaz sur le piston

    :

    (1.44)

  • 34 Chapitre 1 Le moteur Diesel : constitution et principes fondamentaux

    auxilliairesEntrainement des

    Frottements

    Cycle thorique de rfrence Cycle thermodynamique relmcaniques

    Pertes

    !"

    Fig. 1.9 Reprsentation de la chane du rendement du moteur combustion interne.

    3. Le rendement indiqu : Afin de comparer les performances de moteurs diffrents il estutile disoler les pertes dorigines mcaniques. Ce qui mne dfinir le rendement indiqu,

    , qui renseigne uniquement sur la qualit de conversion du carburant. Son expressionest donne par le rapport du travail indiqu et de lnergie chimique introduite dans lemoteur :

    travail indiqunergie chimique

    (1.45)

    4. Le rendement thorique : cest le rendement du cycle thermodynamique idal. Ilcaractrise la diffrence entre lnergie introduite,

    $

    , et le travail du cycle thermo-dynamique de rfrence,

    .

    (1.46)

    Les expressions algbriques de ce rendement ont t dmontres pour le cycle Diesel (re-lation (1.22)) et le cycle de Sabath (relation (1.26)).

    5. Le rendement thermodynamique : Nous avons vu prcdemment que la transforma-tion thermodynamique subie par le fluide de travail dans le moteur ne suit pas exactementle cycle thorique. La surface reprsentative de lnergie du cycle rel est infrieure celledu cycle idal (Diesel ou Sabath). Le rendement thermodynamique (on lappelle aussirendement de cycle ou rendement de diagramme),

    , traduit lcart entre le cyclerel et son cycle de rfrence. Il est gal au rapport du travail indiqu,

    , sur le travailthorique :

    (1.47)

    1.6 Caractristiques de la combustion dans un moteur Diesel

    La combustion est lorigine de la force motrice dun moteur, cest travers elle que lnergie contenuedans le carburant se libre. Les performances dun moteur combustion interne dpendent intrinsque-ment de la capacit gnrer cette raction au bon moment et dans les meilleures conditions ; puis decanaliser la puissance qui en drive. La caractristique principale de la combustion dans un moteur allumage par compression, ce qui fait aussi loriginalit du brevet de Rudolf Diesel, rside en lintroduc-tion du carburant ltat liquide dans le cylindre empli dair chaud fortement comprim. Selon ce modeopratoire, la combustion revt un caractre assez complexe. Pour extraire les principaux mcanismes quila contrlent, la dfinition phnomnologique propose par de Ste est un point de dpart adquat [49] :

    On peut dfinir la combustion comme tant un ensemble de ractions chimiques, gnralement de type

    bien spcifique, constituant globalement une oxydation et donc (fortement) exothermique pouvant

  • 1.6. Caractristiques de la combustion dans un moteur Diesel 35

    entrer en interaction avec certains phnomnes physiques, se manifestant ainsi comme des phno-

    mnes mixtes ou rgimes de combustion.

    Dans cette section, sont prsentes quelques notions indispensables pour tayer cette dfinition gn-rale (richesse, limite dinflammabilit, aspect thermodynamique et cintique de la combustion et auto-inflammation) et disposer dune description du droulement de la raction au cours dun cycle moteur.

    1.6.1 Approche globale de la combustion

    Une raction complte de combustion est reprsente par une quation chimique ou quation de com-bustion. Celle-ci traduit la relation entre la composition des ractifs prsents dans le cylindre et celledes produits forms lissue de la combustion. Lquation chimique comporte deux membres, les ractifssont placs dans le membre de gauche et les produits dans le membre de droite, elle respecte le principede conservation de la masse de chaque molcule. Par exemple, la raction globale de combustion dunhydrocarbure

    avec une quantit stchiomtrique3 dair obit lquation :

    +

    ,

    ractifs

    $

    produits

    (1.48)

    La relation (1.48) ne reflte pas exactement la combustion dun carburant dans lair. Premirement, tousles gaz qui composent lair atmosphrique ne sont pas pris en compte (

    ,

    , gaz rares). Deuxime-ment, le combustible est reprsent par une formule unique alors que sa formule relle est plus complexe.A lissue de cette raction, lhydrogne sest combin loxygne pour former de leau (sous forme devapeur) et loxydation du carbone a produit du dioxyde de carbone ; en revanche, lazote na pas subi detransformations.

    Le rapport stchiomtrique,

    " , correspondant au rapport massique air-carburant dans les conditionsdquilibre chimique, est calcul partir des masses molaires de chaque lment :

    g/mol

    ) g/mol

    - g/mol

    * g/mol

    Il dpend uniquement de la composition du carburant (cest--dire de la teneur massique en carbone eten hydrogne) :

    "

    +

    )

    ,

    *

    (1.49)

    Exemple 1.6.1 Pour un gazole "moyen" assimil un hydrocarbure pur de formule

    lqua-

    tion (1.48) scrit :

    +

    ,

    $

    (1.50)

    Le rapport stchiomtrique associ cette raction est :

    "

    +

    )

    ,

    -

    -

    Donc la combustion complte dune unit de masse de ce gazole ncessite 14.43 units de masse dair.

    1.6.2 Caractrisation dun mlange carbur

    Dans une raction de combustion, la proportion de combustible par rapport au comburant joue un rleconsidrable : elle influence notamment le rendement du moteur et la nature des produits de combustion,do la ncessit de dfinir des indicateurs cohrents.

    3La quantit dair du mlange est exactement suffisante pour oxyder (cest--dire brler) entirement le combustible.

  • 36 Chapitre 1 Le moteur Diesel : constitution et principes fondamentaux

    Rapports air-carburant et carburant-air

    Considrons un mlange carbur de masse

    o et

    correspondent respectivementaux masses de carburant et dair. La caractristique la plus basique de ce mlange est le rapport air-carburant ou son inverse, le rapport carburant-air ; on note :

    rapport air-carburant

    + masse dair,

    + masse de combustible, (1.51)

    et

    rapport carburant-air

    + masse de combustible,

    + masse dair, (1.52)

    Richesse du mlange

    Les relations (1.51) et (1.52) sont valables pour tous types de combustible mais elles ne tiennent pascompte de la composition de ceux-ci. Or la relation (1.49) indique clairement limportance de la nature ducombustible sur le rapport carburant-comburant la stchiomtrie. Pour une meilleure caractrisationdu mlange carbur, on introduit une variable sans dimension : la richesse qui est dfinie par le rapportcarburant-comburant rel relatif au rapport stchiomtrique

    " . Ainsi, la richesse,

    , quantifie lcartentre le mlange contenu dans le cylindre et celui qui mnerait une oxydation complte. La richesse estdonne par la relation :

    rel

    stchiomtrie

    "

    rel(1.53)

    On rencontre parfois dans la littrature linverse de la richesse

    ; cest le coefficient dexcs dair

    :

    rel

    stchiomtrie

    (1.54)

    Les moteurs combustion interne ne fonctionnent pas toujours dans les conditions de la stchiom-trie (

    ). Le mlange est alors qualifi de :

    mlange pauvre pour une carence en carburant (

    et

    ) ;

    mlange riche en cas dexcs de carburant (

    et

    ).

    Pour un moteur allumage command la richesse idale avoisine gnralement la valeur stchiomtrique,dans le cas des moteurs allumage par compression, le mlange est toujours excdentaire en air (mlangepauvre).

    Limites dinflammabilit

    Linflammation du carburant ainsi que la propagation de la flamme au travers de la chambre de com-bustion ne sont possibles que sous certaines conditions. Une condition ncessaire (mais non suffisante)est lie la concentration de combustible dans le cylindre : si le mlange est trop dilu, ou loppos, silest satur en carburant, la combustion ne peut avoir lieu. Do lexistence dune plage dinflammabilit(Fig. 1.10) borne par deux valeurs extrmes, la limite suprieure dinflammabilit

    " ! et la limite inf-rieure dinflammabilit

    , exprimes en pourcentage (de carburant) du volume global. Ces limites sontassocies

    et

    " ! , respectivement quivalentes la richesse critique suprieure et infrieure de noncombustion. Elles se situent de part et dautre de la stchiomtrie. Les limites dinflammabilit varientselon la nature du combustible contenu dans le mlange et des conditions de pression et de tempraturedans lesquelles il se trouve. A titre dexemple, un mlange air-mthane pression et temprature atmo-sphrique peut senflammer si la proportion de mthane varie entre cinq et quinze pour cent du volumetotal [48].

  • 1.6. Caractristiques de la combustion dans un moteur Diesel 37

    100%0%

    Combustible purPlage dinflammabilit

    1

    Stchiomtrie

    Air pur

    Fig. 1.10 Reprsentation de la plage dinflammabilit en fonction de la concentration de combus-

    tible (haut) et de la richesse du mlange (bas) temprature et pression fixes.

    1.6.3 Le mlange air-carburant dans un moteur injection directe

    Dans un moteur Diesel injection directe, le gazole est inject haute pression dans le cylindre sousforme dun jet liquide. Quand le jet entre en contact avec lair sous pression, il est frein brutalement etsa vitesse peut chuter de 300 m/s 20 m/s [34]. Les observations ralises sur des bancs exprimentauxquips de capteurs optiques montrent que le carburant liquide satomise pour donner naissance unspray de fines gouttelettes. La qualit de latomisation est lie non seulement la dclration mais aussiau diamtre de lorifice de linjecteur : plus il est troit, plus la taille des gouttes est faible. Ensuite, lesgouttelettes de gazole se rchauffent par convection force et svaporent. Le jet Diesel prsente alors lescaractristiques dun jet diphasique instationnaire et turbulent : il est compos de zones de combustibledans des tats physiques diffrents (liquide, gouttelettes de densit variable et vapeur). Ces zones ontune rpartition non homogne dans lespace et voluent dans le temps. Le spray est aussi htrogne auregard de la temprature du fait de la prsence des parois. La description du jet est donc extrmementardue puisque son volution physique est gouverne par larodynamique interne (le "swirl", mouvementde lair li la gomtrie de la chambre de combustion et la conception de la volute dadmission) et lesparamtres de linjection (dure, pression, taille de lorifice). On fait gnralement lhypothse que le sprayse dveloppe sous la forme dun cne [99, 84, 85] (Fig. 1.11), la zone centrale liquide tant enveloppepar des couches de caractristiques diffrentes. Dans la couche la plus proche du jet central, le mlangeest htrogne, il sapparente un brouillard dense de trs fines gouttelettes non encore vapores. A lapriphrie, la vapeur de combustible se mlange avec lair pour former des couches homognes dont ladistribution de richesse varie de linfini (gazole liquide), proximit des rgions htrognes, zro (airpur) la limite extrieure du cne.

    injecteur carburant liquide brouillard de gouttelettes mlange homogne ( )

    Fig. 1.11 Reprsentation simplifie dun jet de gazole.

    Remarque 1.6.1 La notion de richesse est valable uniquement quand le mlange est homogne (cest-

    -dire que les ractifs sont ltat gazeux) ; or lhtrognit du mlange lie au mode dinjection ne

    permet pas de lemployer au sens strict. Elle peut cependant caractriser certaines rgions du cylindre

    o le mlange est homogne. Toutefois, pour dsigner le mlange contenu dans le cylindre dun moteur

    Diesel injection directe, il est prfrable de faire mention de la richesse globale. On admet par ailleurs

    que le moteur allumage par compression fonctionne richesse globale variable.

  • 38 Chapitre 1 Le moteur Diesel : constitution et principes fondamentaux

    1.6.4 Aspect cintique de la combustion

    Lquation de combustion (1.48) donne un bilan de matire entre les ractifs et les produits, mais ellene retranscrit pas le mcanisme rel de la transformation car loxydation des produits ne se droule pasen un seul "mouvement". Si ctait le cas, lors de la raction (1.50), la molcule dhydrocarbure auraitrencontr simultanment 26 molcules dair ; or la probabilit dune telle collision est quasiment nulle.En ralit, cette raction passe par des centaines dtapes intermdiaires ou ractions lmentaires quisenchanent jusqu lpuisement complet des ractifs. La combustion simple de lhydrogne dans loxy-gne fait appel 17 tapes lmentaires [38]. Dans le cas de la raction mthane-oxygne, plus de 150ractions rversibles ont t identifies [49], soit 300 au total. Pour des hydrocarbures plus complexes lenombre de ractions lmentaires augmente considrablement.

    Les ractions lmentaires dun processus de combustion ne mettent en jeu que deux (ou trois) parte-naires parmi lesquels se trouvent des molcules de carburant, de comburant ou de produits intermdiairesmais aussi des lments indispensables, les radicaux libres. Un radical libre est un atome ou une combi-naison datomes qui possde un (au plus deux ou trois) lectron de valence non-appari. Les radicauxsengagent facilement dans des ractions avec les molcules de co-ractants pour produire de nouveauxradicaux qui, leur tour, vont participer ce processus. Loxydation complte des produits passe doncpar des ractions en chane qui, selon la nature de leur contribution la raction globale, se classentparmi lune des quatre catgories (Tab. 1.1) ci-dessous :

    1. Les ractions dinitiation qui produisent les premiers radicaux libres ncessaires lapropagation de la chane. Lnergie dactivation de ces ractions est trs leve. Elle doittre suffisante pour rompre les liaisons covalentes des molcules initialement prsentesdans le cylindre.

    2. Les ractions de propagation qui sont les seules responsables de la transformation desractifs (gazole et air) en produits. La propagation se caractrise par une variance radi-calaire nulle et compte au minimum deux tapes, mais elle peut thoriquement se pour-suivre linfini. Elle sachve avec la reformation du radical propagateur

    (Tab. 1.1).

    3. Les ractions de ramification qui prennent le relais de linitiation lorsque la concentrationde radicaux libres est suffisante. La ramification assure la multiplication de ces derniers,elle rsulte de la collision entre un co-ractant et un radical (ramification directe) ou unproduit intermdiaire de combustion (ramification indirecte).

    4. Les ractions de rupture sont responsables de la disparition des radicaux libres et in-terviennent soit en phase homogne, soit en phase htrogne. Dans le premier cas defigure, les radicaux se recombinent pour former un produit stable, la second