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Toute reproduction sans autorisation du Centre français d’exploitation du droit de copie est strictement interdite. © Techniques de l’Ingénieur, traité Génie mécanique B 2 700 − 1 Combustion dans les moteurs Diesel par Alain HAUPAIS Ingénieur de l’École Centrale de Lyon Docteur ès Sciences Président Directeur Général du Centre de Recherches en Machines Thermiques (CRMT) ien que le moteur Diesel soit centenaire, il est en constante et forte évolution, à la fois du fait d’une meilleure connaissance des phénomènes impliqués et d’une exigence croissante de performances, de faible consommation et de réduction des émissions de polluants. Les performances et les niveaux de 1. Fonctionnement d’un moteur Diesel.................................................. B 2 700 - 2 2. Cycles des moteurs Diesel .................................................................... — 3 2.1 Grandeurs représentatives ......................................................................... — 3 2.2 Diagrammes des cycles et combustion..................................................... — 4 3. Auto-inﬂammation................................................................................... — 6 3.1 Mécanisme d’auto-inﬂammation ............................................................... — 6 3.2 Délai d’allumage.......................................................................................... — 6 3.3 Indice de cétane........................................................................................... — 7 4. Mécanisme de mélange turbulent....................................................... — 7 4.1 Jet libre turbulent ........................................................................................ — 7 4.2 Jets déviés par un swirl .............................................................................. — 11 5. Formation de polluants .......................................................................... — 12 5.1 Caractères spéciﬁques de la combustion turbulente ............................... — 12 5.2 Réactions de dissociation thermique......................................................... — 13 5.3 Formation du monoxyde de carbone ........................................................ — 13 5.4 Formation des oxydes d’azote.................................................................... — 13 5.5 Formation des suies .................................................................................... — 14 5.6 Formation des hydrocarbures imbrûlés .................................................... — 16 5.7 Particules solides......................................................................................... — 17 5.8 Autres polluants........................................................................................... — 17 6. Moteurs à injection directe................................................................... — 18 6.1 Moteurs à chambre ouverte ....................................................................... — 18 6.2 Moteurs à chambre fermée ........................................................................ — 20 7. Moteurs à injection indirecte ou à préchambre.............................. — 24 7.1 Formes usuelles........................................................................................... — 24 7.2 Injecteur à téton........................................................................................... — 25 7.3 Particularités sur le plan combustion ........................................................ — 26 7.4 Comparaison injection indirecte-injection directe.................................... — 27 8. Autres types de chambres de combustion....................................... — 27 8.1 Procédé M .................................................................................................... — 28 8.2 Chambre à réserve d’air.............................................................................. — 28 9. Procédés particuliers de réduction des émissions de polluants — 29 9.1 Oxydes d’azote............................................................................................. — 29 9.2 Particules solides......................................................................................... — 30 10. Conclusions ............................................................................................... — 33 Références bibliographiques ......................................................................... — 33 B COMBUSTION DANS LES MOTEURS DIESEL _________________________________________________________________________________________________ Toute reproduction sans autorisation du Centre français d’exploitation du droit de copie est strictement interdite. B 2 700 − 2 © Techniques de l’Ingénieur, traité Génie mécanique pollution obtenus sur les moteurs récemment commercialisés ou en cours de développement auraient très certainement, il y a 20 ou 30 ans, été réputés comme infaisables par les meilleurs diésélistes. Deux grandes familles de moteurs émergent : — les moteurs à injection directe, qui donnent des consommations plus faibles, des émissions d’oxydes d’azote plus élevées. Ils sont de loin les plus répandus pour les applications stationnaires, de propulsion navale et pour les moteurs de véhicules poids lourds et utilitaires. Leur utilisation dans les véhicules de tourisme est récente et encore rare, du fait de difficultés à les faire fonctionner sur une très large plage de régimes ; — les moteurs à injection indirecte, qui sont actuellement largement majori- taires pour les applications aux véhicules de tourisme, du fait d’une puissance massique plus élevée, d’un système d’injection moins coûteux et de bonnes per- formances sur une large plage de régimes. La consommation plus élevée les a progressivement fait disparaître pour les applications industrielles et les poids lourds. 1. Fonctionnement d’un moteur Diesel Quel que soit le type de moteur Diesel considéré, nous avons affaire à : — un allumage par compression, éventuellement assisté par des artifices (par exemple, réchauffage de l’air admis ou bougie de préchauffage) ; — une combustion par diffusion, c’est-à-dire une introduction séparée de l’air et du combustible dans le cylindre et une combustion pilotée par le mélange air + combustible. Que le moteur fonctionne en 2 temps ou en 4 temps, qu’il soit suralimenté ou non, le cylindre est rempli à chaque cycle d’air frais, sans limitation volontaire du remplissage par un papillon. Cet air est comprimé avec un rapport volumétrique élevé de façon à obtenir, malgré les pertes thermiques aux parois, une température de ﬁn de compression supérieure à la température d’auto-inﬂammation du combustible utilisé. Au voisinage du point mort haut (PMH), le combustible est injecté sous forme d’un ou plusieurs jets, avec une vitesse et une pression sufﬁsantes pour qu’il soit très ﬁnement pulvérisé. L’air chaud se mélange au combustible introduit, l’échauffe et le vapo- rise. Lorsque les conditions de température et de temps de séjour sont atteintes en un point particulier du jet, celui-ci s’enﬂamme, et la combustion se propage très rapidement à l’ensemble du jet. La combustion se poursuit au fur et à mesure que les mécanismes de mélange utilisés provoquent la rencontre à échelle moléculaire du combustible et de l’oxygène contenu dans l’air. Le mécanisme de mélange entre l’air et le combustible introduit est donc capital, tant pour la combustion proprement dite que pour la phase initiale d’échauffement du combustible jusqu’à son auto-inﬂammation. La ﬁgure 1 montre la succession de ces phénomènes ﬁlmés par cinématographie rapide dans un moteur Diesel de laboratoire. Figure 1 – Combustion d’un jet de ﬁoul dans un moteur Diesel (doc. CRMT) _________________________________________________________________________________________________ COMBUSTION DANS LES MOTEURS DIESEL Toute reproduction sans autorisation du Centre français d’exploitation du droit de copie est strictement interdite. © Techniques de l’Ingénieur, traité Génie mécanique B 2 700 − 3 2. Cycles des moteurs Diesel 2.1 Grandeurs représentatives Pour décrire les cycles des moteurs, nous faisons appel aux grandeurs suivantes, qui permettent de comparer les moteurs en s’affranchissant de leur taille. La consommation spéciﬁque CS est le rapport entre la consommation de combustible et la puissance produite. Elle s’exprime en g/(kW · h) ou en g/(ch · h). Cette notion peut se référer à la puissance effectivement disponible sur l’arbre du moteur, c’est la consommation spéciﬁque effective CSe , ou à la puissance indiquée sous le nom de consommation spéciﬁque indiquée CSi. La consommation spéciﬁque ne prend pas en compte le pouvoir caloriﬁque du combustible utilisé, contrairement au rendement qui représente le rapport inverse. Avec les combustibles usuels, un rendement de 50 % correspond à une consommation spéciﬁque de 170 g/(kW · h) environ. Les consommations spéciﬁques des meilleurs moteurs de grande taille peuvent descendre à 160 g/(kW · h). Pour les moteurs de poids lourds, les meilleurs points de fonctionnement donnaient des consommations de 200 g/(kW · h), sans limitation des émis- sions d’oxydes d’azote ; avec des émissions compatibles avec les normes, leurs consommations sont de 220 à 240 g/(kW · h). La pression moyenne effective pme est la pression qui, si elle était constante pendant toute la course de détente, produirait le même travail que celui mesuré sur l’arbre du moteur. Pour un moteur 4 temps, il y a une course de détente tous les deux tours d’où : pme × surface du piston × course = 4 π × couple et pour un moteur 2 temps, il y a une course de détente à chaque tour : pme × surface du piston × course = 2 π × couple Pour un moteur Diesel à injection directe non suralimenté, la pme maximale est de l’ordre de 7 à 7,5 bar alors que, pour un moteur Diesel de tourisme à injection indirecte et non suralimenté, la pme maximale est de 8 à 8,5 bar. La suralimentation permet une pme de 16 bar pour les moteurs de poids lourds, de 25 bar pour les gros moteurs marins ou stationnaires. Pour les applications militaires, des moteurs fonctionnant avec des pme de l’ordre de 50 bar sont aujourd’hui en cours de développement. La pression moyenne indiquée pmi se calcule comme la pme, mais en se référant au travail indiqué produit par les gaz sur la face supérieure des pistons. La pression moyenne résistante pmr est l’écart entre la pmi et la pme, tel que pmr = pmi – pme. Au régime maximal d’un gros moteur ou d’un moteur de poids lourd, la pmr est usuellement comprise entre 2,2 et 2,7 bar. Elle correspond aux pertes de diverses natures : — frottements internes et puissance nécessaire pour entraîner les auxiliaires (pompes, ventilateur, etc.) ; — pertes pneumatiques ou pertes par pompage : travaux résis- tants nécessaires pour expulser les gaz brûlés et pour admettre l’air frais. Dans le cas de moteurs à aspiration naturelle, les pertes par pom- page donnent toujours lieu à un travail résistant. Dans certains cas de suralimentation, l’admission d’air frais peut se faire, pendant la course descendante, avec une pression dans le cylindre supérieure à celle qui y règne pendant la course montante d’échappement. Le cycle de renouvellement de gaz donne alors un travail moteur, ce qui correspond à des pertes par pompage négatives. En pratique, la pmr d’un moteur donné croît avec le régime de fonctionnement mais, pour un régime donné, elle varie peu en fonction de la charge. Le rendement mécanique du moteur ρm est le rapport entre la puissance disponible sur l’arbre et celle produite à l’intérieur des cylindres, soit : Pour un moteur non suralimenté, une pme uploads/Ingenierie_Lourd/ combustion-dans-les-moteurs-diesel.pdf