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See discussions, stats, and author profiles for this publication at: https://www.researchgate.net/publication/316789969 Contribution à la modélisation et à la prédiction de défaillances sur les moteurs Diesel marins Spécialité Automatique Thesis · February 2016 CITATIONS 0 READS 1,093 1 author: Hassan Moussa Nahim Aix-Marseille Université 7 PUBLICATIONS 15 CITATIONS SEE PROFILE All content following this page was uploaded by Hassan Moussa Nahim on 11 May 2017. The user has requested enhancement of the downloaded file. 1 Contribution à la modélisation et à la prédiction de défaillances sur les moteurs Diesel marins THESE EN COTUTELLE Présentée à l’UNIVERSITE Aix Marseille – Marseille par Hassan Moussa Nahim pour l’obtention des grades de : DOCTEUR DE L’UNIVERSITE AIX MARSEILLE – DOCTEUR DE L’UNIVERSITE LIBANAISE Spécialité Automatique Soutenue le 22 février 2016 devant les membres de jury M. Gerard Bloch, Professeur, Université Lorraine Président de jury M. Ahmed El Hajjaji , Professeur, Université Picardie Rapporteur Mme Fadila Maroteaux, Professeur, UVSQ - Versailles Rapporteur M. Hassan Shraim, Docteur, Université Libanaise Examinateur M. Mustapha Ouladsine, Professeur, Université Aix Marseille Directeur de Thèse M. Rafic Younes, Professeur, Université Libanaise Co-directeur de Thèse 2 Résumé Ce travail présente un modèle orienté envers le développement d’un simulateur pour le moteur diesel marin. Dans le but d’avoir un simulateur qui répond aux besoins du moteur étudié au niveau de l’efficacité, la rapidité et la prise en considération des défauts, le modèle étudié est basé sur des modélisations physiques, semi physique, empirique, mathématique et thermodynamique. Le modèle du moteur est divisé en plusieurs sous-modèles dont chacun présente un système réel. Ces systèmes sont : le refroidissement, la lubrification, l’admission de l’air, l’injection, la combustion et les émissions. Les sous-modèles et les caractéristiques dynamiques de chaque bloc sont conçus en respectant les équations principales du fonctionnement du moteur ainsi que les données expérimentales collectées sur un banc d’essai pour un moteur marin diesel fabriqué par la société SIMB sous la référence 6M26SRP1. Ce modèle a été implémenté sur Matlab/Simulink, et la simulation permet d’obtenir les variables suivantes dans les différentes sous-blocs: pression, température, efficacité, échange de chaleur, angle de vilebrequin, débit du fuel et émissions. Le simulateur sera utilisé pour montrer les dégradations dans les performances du moteur lors de l’occurrence des défauts et peut aider dans l’application des stratégies de diagnostic et de pronostic. Les différents défauts considérés dans le simulateur sont : défauts injecteur, fuite cylindre, avarie pompe fuel, casse du segment de piston, dégradation de turbocompresseur, dégradation filtre à air, dégradation refroidisseur d’air, fuite d’air, fuite d’eau, fuite et contamination d’huile, encrassement des échangeurs, dégradations pompes. 3 Abstract This work presents a simulator model of a marine diesel engine based on physical, semi- physical, mathematical and thermodynamic equations, allowing fast predictive simulations. The whole engine system is divided into several functional blocs: cooling, lubrication, air, injection, combustion and emissions. The sub-models and dynamic characteristics of individual blocs are established according to engine working principles equations and experimental data collected from a marine diesel engine test bench for SIMB Company under the reference 6M26SRP1. The overall engine system dynamics is expressed as a set of simultaneous algebraic and differential equations using sub-blocs and S-Functions of Matlab/Simulink. The simulation of this model, implemented on Matlab/Simulink has been validated and can be used to obtain engine performance, pressure, temperature, efficiency, heat release, crank angle, fuel rate, emissions at different sub-blocs. The simulator is used to study the engine performance in faulty conditions, and can be used also to assist marine engineers in FDI (fault detection and isolation) as well as designers to predict the behavior of the cooling system, lubrication system, injection system, combustion, emissions, in order to optimize the dimensions of different components. This program is a platform for fault simulator, to investigate the impact on sub-blocs engine’s output of changing values for faults parameters such as: faulty fuel injector, leaky cylinder, worn fuel pump, broken piston rings, a dirty turbocharger, dirty air filter, dirty air cooler, air leakage, water leakage, oil leakage and contamination, fouling of heat exchanger, pumps wear, failure of injectors (and many others). 4 Table des matières 1. Introduction ......................................................................................................................................... 22 2. Généralités sur le moteur diesel .......................................................................................................... 27 2.1 Description .................................................................................................................................. 27 2.2 Les systèmes de moteur diesel .................................................................................................... 29 2.2.1 Système de refroidissement ................................................................................................ 29 2.2.2 Système de lubrification ...................................................................................................... 29 2.2.3 Système d’air ...................................................................................................................... 30 2.2.4 Système d’injection ............................................................................................................. 31 2.3 Principe de fonctionnement ........................................................................................................ 32 2.4 Vitesse et puissance .................................................................................................................... 34 2.5 Combustion ................................................................................................................................. 34 2.6 Usage........................................................................................................................................... 35 2.7 Avantages .................................................................................................................................... 36 2.8 Inconvénients .............................................................................................................................. 37 2.9 Les émissions polluantes ............................................................................................................. 38 3. Modélisation du moteur diesel ............................................................................................................ 41 3.1 Introduction ................................................................................................................................. 41 3.1.1 Banc d’essai ........................................................................................................................ 43 3.1.2 Identification des paramètres .............................................................................................. 47 3.2 Systèmes de moteur diesel marin ................................................................................................ 49 3.2.1 Système de refroidissement ................................................................................................ 50 3.2.1.1 Description .............................................................................................................................. 50 3.2.1.2 Modèle de systèmes de refroidissement .................................................................................. 51 3.2.1.3 Identification et Validation expérimentale .............................................................................. 52 3.2.2 Système de lubrification ...................................................................................................... 54 3.2.2.1 Description .............................................................................................................................. 54 3.2.2.2 Modèles de système de lubrification ....................................................................................... 55 3.2.2.3 Identification et validation expérimentale ............................................................................... 57 3.2.3 Système d’injection ............................................................................................................. 58 3.2.3.1 Description .............................................................................................................................. 58 5 3.2.3.2 Modèles de système d’injection .............................................................................................. 61 3.2.3.3 Identification et validation expérimentale ............................................................................... 62 3.2.4 Système d’admission de l’air .............................................................................................. 63 3.2.4.1 Description .............................................................................................................................. 63 3.2.4.2 Modèles de systèmes d’air ...................................................................................................... 64 3.2.4.3 Identification et validation expérimentale ............................................................................... 65 3.2.5 Cycle thermodynamique ..................................................................................................... 66 3.2.5.1 Description .............................................................................................................................. 66 3.2.5.2 Modèle de cycle thermodynamique ........................................................................................ 66 3.2.5.3 Validation expérimentale ........................................................................................................ 69 3.2.6 Les émissions ...................................................................................................................... 69 3.2.6.1 Description .............................................................................................................................. 69 3.2.6.2 Modèles des gaz d’émission ................................................................................................... 70 3.2.6.3 Identification et validation expérimentale ............................................................................... 73 3.2.7 Simulateur ........................................................................................................................... 74 3.3 Conclusion .................................................................................................................................. 77 4. Etat de l’art sur les défauts de moteur diesel....................................................................................... 79 4.1 Introduction ................................................................................................................................. 79 4.2 Type des défauts : classification général ..................................................................................... 84 4.2.1 Position dans le système .................................................................................................... 84 4.2.2 Caractéristiques par rapport au temps ................................................................................. 87 4.2.3 Propriétés mathématiques : ................................................................................................. 89 4.3 Classifications et modèles de défauts dans le moteur diesel : ..................................................... 89 4.3.1 Défauts modélisés comme une constante (défauts brusque) ............................................... 90 4.3.2 Modèles de défauts naissants en fonction du temps ou en fonction de nombre de cycle (défaut progressive) ............................................................................................................................ 98 4.4 Conclusion et discussion ........................................................................................................... 115 5. Simulation et validation des fonctionnements de simulateur en présence des défauts ..................... 120 5.1 Introduction ............................................................................................................................... 120 5.2 Intégration des défauts dans le modèle du moteur .................................................................... 122 5.2.1 Modèle de systèmes de refroidissement avec défauts ....................................................... 123 5.2.2 Modèle de système de lubrification avec défauts (Heywood, 1988) : .............................. 124 5.2.3 Modèles de système d’injection avec défauts (Lino et al., 2007). .................................... 124 6 5.2.4 Modèle de système d’air avec défauts (Omran et al., 2008) : ........................................... 125 5.2.5 Cycle thermodynamique ................................................................................................... 126 5.3 Simulation et validation des modèles de simulateur avec défauts ............................................ 126 5.3.1 Défaut blocage du thermostat en position ouvert .............................................................. 126 5.3.2 Défaut encrassement de refroidisseur d’huile ................................................................... 129 5.3.3 Simulation de défauts Avance injection ............................................................................ 132 5.3.4 Fuite du carburant ............................................................................................................. 134 5.3.5 Encrassement filtre air ...................................................................................................... 135 5.4 Simulateur de moteur diesel avec défauts ................................................................................. 138 5.4.1 Présentation du simulateur ................................................................................................ 138 5.4.2 Simulation des défauts ...................................................................................................... 140 5.4.2.1 Défaut de blocage du thermostat ........................................................................................... 141 5.4.2.2 Défaut encrassement refroidisseur d’huile ............................................................................ 142 5.4.2.3 Défaut pompe eau ................................................................................................................. 143 5.4.2.4 Défaut encrassement échangeur de chaleur eau douce- eau brute ........................................ 144 5.4.2.5 Défaut pompe eau brute ........................................................................................................ 145 5.4.2.6 Défaut encrassement filtre eau brute ..................................................................................... 146 5.4.2.7 Défaut rendement de la pompe d’huile ................................................................................. 147 5.4.2.8 Défaut viscosité d’huile ........................................................................................................ 148 5.4.2.9 Défaut encrassement filtre d’huile ........................................................................................ 149 5.4.2.10 Défaut fuite de carburant ..................................................................................................... 150 5.4.2.11 Défaut surface d’injecteur ................................................................................................... 151 5.4.2.12 Défaut intrusion du liquide dans le carburant ..................................................................... 152 5.4.2.13 Défaut d’efficacité de pompe d’injection du carburant ....................................................... 153 5.4.2.14 Défaut fuite d’air dans le collecteur d’admission ............................................................... 154 5.4.2.15 Défaut efficacité du compresseur ........................................................................................ 155 5.4.2.16 Défaut blocage à l’entrée de collecteur d’admission .......................................................... 156 5.4.2.17 Défaut couplage turbocompresseur ..................................................................................... 157 5.4.2.18 Défaut fissure de la culasse ................................................................................................. 158 5.4.2.19 Défaut dégradation du segment ........................................................................................... 159 5.4.2.20 Défaut fissure dans le cylindre ............................................................................................ 160 5.4.2.21 Défaut encrassement de refroidisseur d’huile (progressif) ................................................. 161 5.4.2.22 Défaut encrassement échangeur eau brute eau douce (progressif)..................................... 162 7 5.4.2.23 Défaut encrassement refroidisseur d’air (progressif) .......................................................... 163 5.4.2.24 Défaut encrassement filtre eau brute (progressif) ............................................................... 164 5.4.2.25 Défaut encrassement filtre huile (progressif) ...................................................................... 165 5.4.3 Analyse de résultats de simulation .................................................................................... 166 6. Conclusion et Perspectives................................................................................................................ 168 References ................................................................................................................................................. 170 Annexe A : Caractéristiques du moteur 6M26SR ..................................................................................... 179 Annexe B : Méthode de Nelder-Mead ...................................................................................................... 182 8 Table des figures Figure 1 : Vue du bloc moteur ..................................................................................................................................... 28 Figure 2 : Schéma d’un bloc moteur avec certains composants .................................................................................. 28 Figure 3 : Schéma illustratif du circuit de refroidissement .......................................................................................... 29 Figure 4 : Schéma illustratif de circuit de refroidissement .......................................................................................... 30 Figure 5 : Schéma illustratif du système d’air ............................................................................................................. 31 Figure 6 : Schéma illustratif du système d’injection ................................................................................................... 32 Figure 7 : Etapes d’un cycle de moteur uploads/Litterature/ these 13 .pdf