à froid en moteur Diesel

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1 Le démarrage d à froid en moteur Diesel Directrice de thèse : Christine Mounaim-Rousselle LME) Encadrants : Fabrice Foucher (LME) Bertrand Barbeau (PSA) Benoit Jeanne (PSA) Célia vergnes Journées François Lacas le 22 novembre

2 Sommaire Contexte de l étude Présentation de l outil numérique utilisé et des résultats Présentation des outils expérimentaux utilisés et des résultats Conclusions et perspectives 2

3 Sommaire Contexte de l étude Présentation de l outil numérique utilisé et des résultats Présentation des outils expérimentaux utilisés et des résultats Conclusion et perspectives 3

4 Contexte de l él étude Les normes de pollution sont de plus en plus sévères nécessité de fournir d avantage d efforts sur les activités de recherche : par ex le démarrage à froid. Les enquêtes qualité rapide ont révélé des mécontentements concernant le démarrage des véhicules durant l hiver : combustion incomplète voir inexistante, ralenti instable, forte pollution Très peu d activités sur les moteurs Diesel d où un grand intérêt pour ce sujet de la part des motoristes. 4

5 État de l art l du démarrage d à froid Démarrage à froid = démarrage du moteur à -15 C Conditions thermodynamiques au PMH : 32 bars et 450 C DEFAVORABLES - Richesse (carburant/air) élevée car quantités de carburant injectées trop importantes - Température de l air entré de -20 C donc faible température au moment où on injecte le carburant - Pressions d injection du carburant faibles (250/400 bars) - Blow-by (pertes au niveau des segments) élevé Nécessité d utiliser une bougie de préchauffage Réchauffer l air environnant autour de la bougie afin de faciliter la vaporisation du carburant et donc son auto inflammation au contact de l air 5

6 Expérimentation sur banc moteur «froid»à-20 C -SPRAY - COMBUSTION - Entrée du carburant, d air et d huile à - 15 C - Taux de compression de 16 On ajoute tous les problèmes liés au froid Expérimentation sur banc moteur «chaud» à +30 C - Entrée du carburant, d air et d huile à +30 C - taux de compression recalculé de 10.7 pour avoir des conditions thermodynamiques identiques au PMH On s affranchit des effets de la viscosité, densité du carburant, problème de givrage, 6

7 Sommaire Contexte de l étude Présentation de l outil numérique utilisé et des résultats Présentation des outils expérimentaux utilisés et des résultats Conclusion et perspectives 7

8 Outil numérique utilisé : code 3D FIRE Injection pilote de 346 à349dv Géométrie analogue d une chambre de combustion Calage des courbes de pression cylindre numériques /expérimentales (avec prise en compte du blow by et pertes thermiques) pour la phase de compression. 8

9 Quelques résultats r de calcul Température bougie de préchauffage : 1373K Champ de température autour de la bougie : environ 730K Température de l air aux parois : 700K Augmentation de la température de l air proche bougie de 30K Validation de ce résultat par une comparaison avec la théorie d après Mc Adams (1961) 9

10 Injection pilote de 346 à 349DV (vue de face) Bougie de préchauffage Les contours du spray de carburant sont réchauffés par l air environnant, qui lui est réchauffé par la bougie de préchauffage et par la compression du cylindre 10

11 Conclusions du calcul 3D Validation du champ de température autour de la bougie de préchauffage grâce à un cas de calcul simplifié sous FIRE (barreau chauffant situé dans un écoulement d air ) comparé à une relation théorique thermique d après Mc Adams. Les courbes de pression expérimentales/numériques calées jusqu au PMH ; l auto inflammation de l injection principale se fait tardivement avec des pics de pression plus importants numériquement qu expérimentalement-nécessité de valider le calage de spray avec des visualisations de spray en conditions «ambiantes» Nécessité d étudier la propagation d un spray Diesel (pénétration et angle de spray) donc réaliser des visualisations de spray à iso densité puis en conditions réelles froides (changement de viscosité) afin d observer l effet de la viscosité sur le développement du spray. 11

12 Sommaire Contexte de l étude Présentation de l outil numérique utilisé et des résultats Présentation des outils expérimentaux utilisés et des résultats Conclusion et perspectives 12

13 Conditions d essai d sur bombe froide But : On souhaite réaliser des visualisations de spray pour avoir des évolutions de pénétration et d angle de spray en fonction du temps tester les relations empiriques de la littérature On utilise une enceinte fermée à volume constant pour injecter le spray de carburant On calcule la pression d air dans l enceinte pour avoir la même densité de l air que sur banc moteur On utilise 3 carburants différents Le n-heptane, carburant pur donc facile à tester mais très peu représentatif du démarrage à froid. Le Diesel, carburant arctique (donc additivé) avec une composition complexe et donc difficile à étudier Le décane, carburant pur plus proche de la composition du Diesel. Les pressions d injection utilisées sont 250/400 bars. Les temps d injection varient de 500 à 3000µs. 13

14 Outils expérimentaux utilisés Longueurs de pénétration p et angles de spray Hublot en quartz Caméra ICCD Porte du congélateur La caméra rapide enregistre images /s, 10 injections de 60 images chacune Injecteur Bombe sous pression Miroir lumière Rail haute pression Chambre froide 14

15 Longueurs de pénétration p de spray mesurées pour le n-n heptane à froid penetration (cm) 0.02 penetration (cm) temps (µs) -5 C -10 C -15 C -20 C temps (µs) -5 C -10 C -15 C -20 C Pression d injection de 250 bars Pression d injection de 400 bars Peu d influence de la température sur les pénétrations de spray mesurées Nécessité d avoir plus de renseignements sur le comportement de l injecteur dans des conditions froides et de mesurer les densités et viscosités des carburants utilisés. 15

16 Comparaisons de longueurs de pénétration p et angles de spray avec la littérature Angle de spray (Siebers, 1996) Pénétration de spray (Siebers, 1996) Coefficient de surface Avec Et θ tan( ) 2 ρ air θ d 0 C a = ρ = α( ρ air fuel ) β : densité de l air : angle de spray C C : diamètre des trous d v Fonction de Coefficient de décharge ν ρ Coefficient de vitesse fuel fuel l 2 = P fuel Pair : Viscosité du carburant : densité du carburant Cv 2Ca θ a tan( ) 2 ( P fuel ρ P air : pression d injection : pression dans l enceinte Propre à chaque injecteur et fonction des conditions d essai air ) d À déterminer par le taux d introduction (2) (1) À déterminer par les mesures de viscosité et de densité o t 16

17 Outils expérimentaux utilisés Tests de viscosité et de densité (2) Rapport 60 Température +20 C (Pa/s) -5 C (Pa/s) -10 C (Pa/s) -15 C (Pa/s) -20 C (Pa/s) Commentaires Viscosité N- heptane Viscosité Diesel Viscosité Décane Densité N- heptane , , , , , , , , , , , , Augmente de façon exponentielle à partir de -5 C Densité Diesel Augmente linéairement Densité Décane

18 Outils expérimentaux utilisés Mesures des taux d introduction d (1) Le montage du taux d introduction est placé dans une chambre froide pouvant descendre à des températures de -20 C. Ces mesures nous permettent d enregistrer les débits massiques instantanés de l injecteur dans des conditions froides. Chambre froide Schéma du taux d introduction 18

19 Mesures des taux d introductiond Débit massique mesuré - dépendant de la température pour le Diesel - indépendant de la température pour le n-heptane 19

20 Mesures des taux d introduction d (1) Grâce aux débits massiques instantanés de l injecteur, on a : Cd =. m. m R T = A 0. m R 2ρ P Coefficient de décharge de l injecteur qui prend en compte la «vena contracta» = dépression due à la géométrie des sections. Si la dépression est trop importante => phénomène de cavitation (création de bulles de vapeur) S il y a présence de cavitation Cd = f (Re) S il n y a pas présence de cavitation C d α P P inj inj Pv CP Il est nécessaire de savoir s il y a présence de cavitation dans nos essais car impact de la cavitation sur les angles et pénétrations de spray 20

21 Mesures des taux d introduction d (1) Le coefficient de décharge ne dépend pas du nombre de Reynolds donc il y a présence de cavitation pour ce carburant dans de telles conditions Le coefficient de décharge est proportionnel au nombre de Reynolds donc il n y a pas présence de cavitation pour ce carburant dans de telles conditions Grâce à la valeur du coefficient Cd, on pourra utiliser les relations empiriques de longueur de pénétration du spray et ainsi estimer Ca et Cv 21

22 Sommaire Contexte de l étude Présentation de l outil numérique utilisé et des résultats Présentation des outils expérimentaux utilisés et des résultats Conclusion et perspectives 22

23 Conclusions et perspectives Numériquement, quelques résultats déjà obtenus mais nécessité de les compléter grâce à des visualisations de spray en conditions «chaudes» Expérimentalement, utilisation du taux d introduction «froid» et des mesures de viscosité et de densité du carburant comme un outil à la compréhension de la propagation du spray pour des conditions froides Utilisation des relations empiriques (Siebers, Lefebvre, Varde et Popa) pour comparer les évolutions de pénétration et d angle à celles que nous avons obtenues => évaluer l impact de la viscosité et de la densité dans nos essais Visualisations de spray en phase liquide sur banc moteur à réaliser 23

24 MERCI DE VOTRE ATTENTION!!!! 24