FORMATION DU MELANGE DANS LES MOTEURS A COMBUSTION INTERNE

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1 FORMATION DU MELANGE DANS LES MOTEURS A COMBUSTION INTERNE Luis LEMOYNE MdC UPMC Laboratoire de Mécanique Physique 2 Place de la Gare de Ceinture F78210 Saint Cyr l Ecole lemoyne@ccr.jussieu.fr DEA Conversion de l énergie- Luis LEMOYNE 1

2 DEA Conversion de l énergie- Luis LEMOYNE 2

3 1. INTRODUCTION GENERALITES SCHEMAS GENERAUX DE FONCTIONNEMENT PROCESSUS DE FORMATION DU MELANGE COMPOSITION DU MELANGE MOUVEMENTS DE BRASSAGE ORGANES DE FORMATION MISE SOUS PRESSION DU COMBUSTIBLE DOSAGE DU COMBUSTIBLE PULVERISATION DES COMBUSTIBLES LIQUIDES DOSAGE DU COMBURANT CONDUITS, SOUPAPES ET CHAMBRE RECIRCULATION DES GAZ BRULES TECHNOLOGIE DE LA FORMATION DU MELANGE DANS LES MOTEURS MOTEUR A ALLUMAGE COMMANDE A CHARGE HOMOGENE MOTEUR A ALLUMAGE PAR COMPRESSION MOTEUR A ALLUMAGE COMMANDE A CHARGE STRATIFIEE TURBINE CALCUL DES PRINCIPALES CARACTERISTIQUES DEBIT A TRAVERS UN AJUTAGE DEBIT DANS LES CARBURATEURS INJECTEURS MODELES D'ECOULEMENT DE LA PHASE GAZEUSE MODELES ZERO-D MODELES 1-D MODELES 3D TURBULENTS MODELES DE FORMATION ET TRANSPORT DU COMBUSTIBLE LIQUIDE MODELISATION DES PROCESSUS DE PULVERISATION TRANSPORT ET EVAPORATION DES GOUTTES PULVERISATION SECONDAIRE ECOULEMENT DES FILMS PARIETAUX METHODES EXPERIMENTALES EN FORMATION DU MELANGE PHASE GAZEUSE PHASE LIQUIDE MESURES SPECIFIQUES BIBLIOGRAPHIE...92 DEA Conversion de l énergie- Luis LEMOYNE 3

4 1. Introduction 1.1. Généralités La formation du mélange conditionne la qualité de la combustion dans les moteurs thermiques. A l'heure actuelle, une des principales voies de développement des moteurs dans le secteur automobile réside dans l'amélioration de la formation du mélange air - combustible. Dans le cas des moteurs à combustion interne qui sera l'objet de ce qui suit, plusieurs solutions technologiques pour réaliser le mélange sont applicables selon le type de moteur et souvent spécifiques à son principe de fonctionnement. D'une façon générale la formation du mélange consiste à mettre en contact le combustible et le comburant sous des formes propices à l'initiation et à la propagation de la combustion ainsi qu'à l'évacuation des produits de la réaction. Le cas idéal est donc le mélange homogène du combustible et du comburant sous forme gazeuse avec des mouvements de brassage à grande et petite échelle dans les conditions stoechiométriques. Le moteur qui s'approche le plus de ce cas est le moteur essence (ou à allumage commandé) mais pour des raisons d'amélioration de la consommation de combustible on peut être amené à faire réagir des mélanges pauvres, i.e. où la portion du combustible dans le mélange est inférieure à celle des proportions stoechiométriques. C'est le cas notamment des moteurs Diesel (ou allumage par compression), et des moteurs à flux continu (turbines, turboréacteurs). L'inflammation des ces mélanges pauvres est plus difficile et l'on cherche alors à avoir un mélange hétérogène (ou stratifié) dans lequel il existe des zones riches en combustible et des zones pauvres. La combustion est initiée dans les zones riches et des mouvements fluides particuliers sont crées pour transporter le combustible et l'énergie de la réaction amorcée vers les zones pauvres. Il est clair que le bon déroulement de la combustion dans ce cas est particulièrement sensible à la qualité locale du mélange dans les zones riches. Aussi, les mouvements de brassage doivent être de grande amplitude et correctement synchronisés avec les différentes phases de la combustion. Un aspect important de la formation du mélange consiste dans la génération de ces mouvements de brassage car dans tous les cas ce sont les organes de dosage et de mélange qui créent ces mouvements; la chambre de combustion n'étant que le lieu où ils ont lieu n'y participe qu'indirectement. Par ailleurs, pour des raisons liées à la construction même des moteurs ou pour diminuer les émissions de polluants (en particulier si le mélange est pauvre), une partie des produits émis par la combustion peut être réintroduite dans la chambre de combustion et incorporée au mélange frais. La constitution réelle du mélange n'est plus alors uniquement combustible et comburant. La formation du mélange comprend alors aussi l'introduction et le transport de cette troisième composante : les gaz brûlés rémanents ou recyclés. En ce qui concerne le comburant, on se limitera au cas des moteurs utilisant l'air gazeux puisé dans l'atmosphère et aspiré (naturellement ou avec un compresseur) jusqu'à la chambre de combustion (ce qui n'est pas le cas des DEA Conversion de l énergie- Luis LEMOYNE 4

5 fusées). A cause du pouvoir comburivore des combustibles utilisés et des concentrations mises en pratique, l'air est le principal constituant du mélange en termes de masse. Quant au combustible, il peut se présenter sous forme solide, liquide ou gazeuse. Les combustible solides utilisés dans les moteurs à combustion interne doivent être préalablement traités pour les liquéfier ou vaporis er. Ce processus sort du cadre de l'étude de la formation du mélange car il a lieu à l'extérieur du moteur (C.F. gazogènes). Donc, le combustible pour la formation du mélange se présente sous forme liquide ou gazeuse. Etant donné que la combustion se déroule à l'état gazeux, une fonction fondamentale de la préparation du mélange pour les moteurs à combustible liquide consiste à le transformer en vapeur. Mais cette opération est énergetiquement coûteuse. Il est difficile de vaporiser le combustible à partir d'une ébullition en masse, à moins que sa température d'ébullition dans les conditions de pression ambiantes soit inférieure à la température dans les conduits d'alimentation (ce qui est le cas des gaz liquéfiés). Aussi, en général lorsque le combustible est liquide à température et pression ambiantes, on le pulvérise dans un premier temps, ce qui permet d'évaporer par convection les gouttes formées. Il existe donc ainsi une étape intermédiaire entre la phase liquide et la phase vapeur du combustible, il s'agit de la phase liquide dispersée. Le comportement dynamique du nuage de gouttes peut être plus proche de celui d'une phase gazeuse si la densité de gouttes est faible. Evidemment, la bonne vaporisation du combustible par pulvérisation dépend des caractéristiques géométriques et cinétiques des gouttes crées, ainsi que de leur distribution spatiale. Il se dégage de ces considérations que différents phénomènes doivent être mis en jeu pour aboutir à un mélange satisfaisant. Selon la nature du combustible il faut le mettre en condition par différents moyens pour aboutir à une combustion de mélange gazeux. Le mélange introduit dans la chambre de combustion doit être animé de certains mouvements qui doivent se poursuivre pendant la combustion. Les mécanismes de formation du mélange doivent répondre donc à ces impératifs parfois contradictoires de vaporiser le combustible s'il est liquide, sans perte et avec le minimum de dépense énergétique, et animer le mélange frais de mouvements de brassage en séparant les gaz brûlés du mélange frais. On ne s'intéressera qu'aux aspects de la formation du mélange, ce qui suppose que la masse de comburant soit une donnée du problème, déterminée par les mécanismes de remplissage que l'on n'étudiera pas ici. Les problèmes d'amélioration de puissance ou dépollution ne seront abordés que sous le point de vue de la bonne combustion du mélange et de sa composition Schémas généraux de fonctionnement D'une façon générale les moteurs thermiques à combustion interne se présentent pour l'étude de la formation du mélange sous deux schémas globaux de fonctionnement. Dans tous les cas le comburant est puisé à l'extérieur du moteur et transporté à l'intérieur des conduits d'admission par l'intermédiaire de divers organes (conduits, filtre, compresseur, échangeur) jusqu'au voisinage de la chambre de combustion. On distingue alors les moteurs à admission directe où le mélange a lieu dans la chambre de combustion ou dans une enceinte communicante DEA Conversion de l énergie- Luis LEMOYNE 5

6 pendant la combustion, et ceux à admission indirecte où le mélange a lieu avant le passage dans la chambre de combustion dans une enceinte isolée de la chambre pendant la combustion. Dans le premier cas la chambre de combustion reçoit l'air conditionné et le mélange peut avoir lieu avant ou pendant le déroulement de la combustion. Le combustible est introduit soit d'un seul coup avant la combustion, soit graduellement si le mélange et la combustion ont lieu simultanément. Les organes qui introduisent le combustible sont donc soumis aux fortes pressions et températures de la chambre de combustion. De plus, le temps disponible entre l'introduction du combustible et la combustion est très réduit, ce qui complique les opérations de vaporisation. DEA Conversion de l énergie- Luis LEMOYNE 6

7 Réservoir Atmosphère Pompe (+ Filtre) Régulateur de pression Filtre Mise en forme (Pulvérisation, pré- Vaporisation) Régulateur Introduction Admission directe Mise à température Mélange Admission Indirecte Combustion Dilution Recirculation Echappement Dépollution Processus de la Formation du mélange dans les moteurs Dans le deuxième cas un organe particulier, différent de la chambre de combustion reçoit l'air et y introduit le combustible pour former le mélange. Ce n'est qu'ensuite que le mélange est introduit dans la chambre. Dans ce cas, les conditions dans lesquelles se forme le mélange ne sont pas celles dans lesquelles se déroule la combustion. Il en découle que les caractéristiques mécaniques des pièces contribuant à former le mélange sont DEA Conversion de l énergie- Luis LEMOYNE 7

8 peu poussées, et qu'en général le temps imparti à la formation du mélange est plus important que pour le cas de l'admission directe. Dans tous les cas d'application sur véhicule, le combustible est transporté avec le moteur dans un réservoir soumis à des impératifs de sécurité sévères (en particulier pour les combustibles gazeux). On vient puiser dans ce réservoir le combustible soit par gravité, soit par dépression, soit par une pompe. Ensuite, un organe particulier de dosage régule le débit de combustible et l'asservit au débit d'air. En général il y a donc un circuit de retour, de recirculation, ou une vanne, en cas de trop plein. Enfin, le combustible est introduit dans la veine gazeuse par l'intermédiaire d'un orifice dont les caractéristiques géométriques sont très étudiées, aussi bien pour obtenir le débit souhaité que pour mettre en condition le combustible (pulvérisation) Processus de formation du mélange Formation et transport du mélange - Introduction. Le combustible doit être à une pression supérieure à celle régnant dans l'enceinte de mélange de façon à pouvoir être introduit. La quantité introduite doit être en relation avec la masse d'air à laquelle il sera mélangé. - Pulvérisation. Dans le cas où le combustible se présente à l'état liquide lorsqu'il arrive au niveau de l'orifice final, il est nécessaire de le pulvériser. Les mécanismes de pulvérisation exploités sont de trois types. Le premier est basé sur l'action de forces aérodynamiques sur un jet liquide. Ainsi, un jet sous pression est introduit dans une veine gazeuse avec un gradient de vitesse important. Les forces aérodynamiques à l'interface font croître les perturbations superficielles du liquide jusqu'à le désagréger. Le deuxième est basé sur l'action des contraintes propres au liquide. On accélère fortement un jet liquide contre un obstacle ou on l'anime de mouvements oscillatoires rapides, ce qui se traduit par la désagrégation du jet et la création de petites parcelles liquides. Le troisième est basé sur le principe de la cavitation. On introduit un jet liquide sous pression dans une enceinte où règne une pression inférieure à la pression de saturation du liquide. Il se crée alors des bulles de vapeur à l'intérieur du liquide qui grandissent jusqu'à désagréger le jet. Dans certains organes de pulvérisation, ces mécanismes peuvent être utilis és simultanément. - Transport. La veine gazeuse recevant le combustible le transporte jusqu'à la chambre de combustion. Dans le cas de combustible gazeux, il s'agit d'un mélange avec une seule phase, il n'y a pas de pertes de combustible dues au transport. Dans le cas liquide, même sous forme dispersée (gouttes), la phase liquide n'est pas toujours correctement transportée par la phase gazeuse. Dans ce cas le mélange est biphasique, il peut y avoir des pertes de combustible par dépôt et une désadaptation des vitesses de la phase liquide dispersée par rapport à la phase gazeuse selon la taille des gouttes. - Evaporation. DEA Conversion de l énergie- Luis LEMOYNE 8

9 Dans le cas de mélanges biphasiques la désadaptation des vitesses crée un écoulement en superficie de la goutte liquide qui facilite l'évaporation du combustible et les échanges thermiques par convection à la surface. - Dépôt, Impact. Dans le cas où la phase dispersée est constituée de gouttes de taille importante, une partie du combustible introduit peut se déposer sur les parois des conduits ou de la chambre de combustion. Ce phénomène est favorisé par les passages des rétrécissements (soupapes, bifurcations, etc.). Le combustible déposé se retrouve sous forme liquide et adhère aux parois. Il peut être réchauffé par conduction au contact de ces dernières, ce qui favorise son évaporation et peut même entrer en ébullition si la température est suffisante. Il est aussi transporté par la veine gazeuse à la surface mais l'adhérence aux parois crée une grande désadaptation de vitesse. Dans tous les cas, le dépôt introduit un retard important dans le transport du combustible. Si le dépôt a lieu dans la chambre de combustion, cette dernière a lieu en général avant que le film liquide déposé ait pu s'évaporer. Il y a alors combustion en superficie du film et création d'une zone riche qu'il faut aérer pour éviter l'extinction et la détérioration des parois. Dans le cas où la température des parois est suffisante pour amorcer et entretenir l'ébullition du combustible, il peut se former en plus des bulles de vapeur qui atteignent la surface libre du liquide par gravité, un film de vapeur entre la paroi et la goutte liquide. - Pulvérisation secondaire. Les mêmes mécanismes à l'origine de la pulvérisation du combustible peuvent avoir lieu sur le film liquide déposé sur les parois, les gouttes de combustible qui subissent un impact sur une paroi, ou le combustible liquide déposé sur des pièces mobiles (soupapes). Il y a alors création de gouttes secondaires qui s'incorporent au mélange diphasique dispersé. Les phénomènes entrant en jeu sont l'arrachement, le rebond, la désintégration, le pincement, ou la séparation, du liquide contre les parois. - Recirculation des gaz brûlés. Il est possible sur certaines machines, en particulier sur les moteurs alternatifs, qu'un partie des gaz brûlés soit incorporée, volontairement ou pas, au mélange frais. L'effet de ces gaz brûlés sur la formation du mélange est en général d'augmenter la température du mélange, ce qui favorise l'évaporation, et de faciliter la circulation des gaz frais par transvasement (effets d'inertie). Mais bien que la température du mélange augmente, la température atteinte pendant la combustion est plus faible car une partie de la masse introduite n'est pas réactive, ce qui est intéressant pour diminuer les NOx. DEA Conversion de l énergie- Luis LEMOYNE 9

10 Gouttes évaporation injection arrachement dépôt Mélange airvapeur-gaz brûlés évaporation Film Pariétal Alimentation écoulement retour Chambre de combustion ruissellement Trnasferts de masse dans les moteurs 1.4. Composition du mélange Idéalement le mélange serait composé de combustible et comburant à l'état gazeux. Dans la réalité il peut être biphasique; le combustible se présente sous deux phases, liquide et vapeur. Une partie de la phase liquide peut être diluée dans la phase gazeuse sous forme de fines gouttes, c'est la phase dispersée. L'autre partie de la phase liquide se retrouve sous forme de films liquides déposés sur les parois. De plus, la recirculation des gaz brûlés peut amener des particules solides (suies) issues de la combustion incomplète de certains composés. Il en est de même des impuretés passant à travers les filtres présentes aussi bien dans l'air que dans le combustible. Aussi, les organes mobiles des moteurs ont besoin d'être lubrifiés et des gouttes ou particules de lubrifiant peuvent s'incorporer au mélange (fuites aux queues de soupapes, segments, paliers). On a alors à faire en réalité, à un mélange polyphasé qui détériore la qualité de la combustion et produit des dépôts nocifs sur les parois Mouvements de brassage Le mélange gazeux doit bouger pour amener les gaz frais près des zones de combustion et éloigner les gaz brûlés. Cela est obtenu en réalisant des mouvements d'ensemble rotatifs dans la chambre et en favorisant les mouvements turbulents aux petites échelles. Il faut ajouter que lorsque le combustible est introduit dans une chambre de combustion, il déplace une portion du gaz qui l'entoure. Des zones de recirculation peuvent être crées en aménageant le parcours des gaz déplacés. Un cas "simple" : vieux moteur de F1 Conduits d'admission courts et individuels pour chaque cylindre afin de limiter les pertes par frottement et optimiser les effets acoustiques. Injecteur basse pression centré dans la veine d'air : minimum de pertes mécaniques et de dépôts sur les parois. DEA Conversion de l énergie- Luis LEMOYNE 10

11 Ecoulement gazeux presque vertical à l'arrivée dans la chambre pour créer des mouvements turbulents et améliorer le mélange. Piston creux hémisphérique pour favoriser le tumble inverse. Double bougie d'allumage pour assurer une combustion rapide dans toutes les conditions. DEA Conversion de l énergie- Luis LEMOYNE 11

12 Conduit d'admission Injecteur Arrivée de carburant Veine d'air admission Soupape Echappement Piston Chambre Combustion de Doc : BEMT ENSAM DEA Conversion de l énergie- Luis LEMOYNE 12

13 2. Organes de formation Les processus et mécanismes de formation du mélange décrits précédemment ont lieu dans des organes particuliers qu'on tentera de classifier ici Mise sous pression du combustible La fonction première de ces organes de mise sous pression est d'alimenter en combustible les organes de dosage en le mettant dans les bonnes conditions de phase, pression et température Détendeurs Les organes de mise sous pression peuvent être des détendeurs si le combustible est déjà sous pression dans le réservoir (gaz comprimé ou réservoir en hauteur). Pour le cas gazeux ce sont en général des détendeurs ou vapodétendeurs qui régulent la pression et assurent la vaporisation si le combustible est liquide (GPL) à l'aide de chaleur puisée au circuit de refroidissement du moteur Régulateurs Les régulateurs de pression sont des organes importants de la formation du mélange dans les systèmes à débit continu utilisant des pompes. La section de passage des injecteurs à pleine ouverture étant constante, la valeur de la différence de pression entre la chambre et le circuit d'alimentation fixe la valeur du débit de combustible admis. On peut distinguer les régulateurs de pression à différentiel constant taré par un ressort et les régulateurs pilotés qui permettent de faire varier la pression du circuit d'injection électro-mécaniquement Pompes Lorsque le combustible est liquide ou qu'il doit être introduit dans la chambre de combustion directement après compression, il faut le pressuriser à l'aide d'une pompe. On distingue le cas des applications basse pression pour les moteurs à admission indirecte et haute pression pour les moteurs à admission directe. Basse pression Le circuit d'alimentation de combustible après la pompe est mis à une pression inférieure à 10bar et supérieure à 1bar. Les pompes utilisées peuvent être électriques ou mécaniques (entraînées par le moteur). Ces pompes assurent aussi en général le transport du combustible depuis le réservoir. DEA Conversion de l énergie- Luis LEMOYNE 13

14 Ex : Pompe à essence électrique Bosch. Pression d'injection : 2.5bar (jusqu'à 6 bar). 1: Aspiration, 2: Limiteur de pression, 3: Rouleaux, 4: Bobinage du rotor, 5: Clapet, 6: Refoulement Schéma des rouleaux : 1: Aspiration, 2: Rotor, 3: Rouleau, 4: Surface de guidage, 5: Refoulement Source : Doc. Technique Bosch Source : Doc. Technique Bosch Haute pression Le circuit d'alimentation est mis à une pression supérieure à 20bar. Les pompes sont entraînées par l'arbre moteur et consomment une part non négligeable de la puissance fournie par le moteur. Elles n'ont comme fonction, en général, que de mettre sous pression le circuit final d'alimentation, une autre pompe (gavage) assure alors le transport depuis le réservoir. Dans le cas des moteurs alternatifs jusqu'à présent, le principe général est celui d'un piston qui pousse un volume déterminé, mais variable, de combustible à travers les tuyauteries jusqu'à la chambre de combustion. Les fonctions de mise sous pression et dosage sont alors groupées dans le même système. Un système de clapets ou de soupapes assure la synchronisation des mouvements d'aspiration et refoulement du piston. Deux schémas de fonctionnement sont alors possibles; si on dispose un piston par cylindre la pompe est dite en ligne et chaque ensemble came d'entraînement/piston est successivement mis en action par le vilebrequin. Si par contre on dispose d'un seul piston alimentant successivement chaque cylindre, la pompe est dite distributrice. La came doit alors comporter autant de bosses de levée que de cylindres. Dans le cas des moteurs à flux continu ou pour les moteurs alternatifs à injection commandée électriquement, la pompe peut délivrer un débit continu qui peut être régulé par un régulateur de pression. On peut alors installer des pompes à engrenages, centrifuges ou à pistons, de conception plus simple. Ex : Pompe en ligne Bosch pour injection Diesel. Fonctionnement : Pendant la course ascendante du piston P, quand le bord de sa rampe hélicoïdale H atteint l'ouverture O, qui communique avec le conduit de combustible A sous faible pression, les chambres de DEA Conversion de l énergie- Luis LEMOYNE 14

15 refoulement R et d'aspiration A communiquent à travers la cannelure C. En fin de course le combustible est poussé vers l'injecteur à travers la soupape S. La quantité de combustible injectée est donc déterminée par la distance d entre la face supérieure du piston et le point de contact entre la rampe H et l'ouverture O. En faisant tourner le piston cette distance d peut être changée. Dans ce type de pompe, il faut disposer autant de pistons plongeurs que de cylindres à alimenter. Les dimensions de chacun des ensembles doivent être rigoureusement les mêmes. On peut atteindre des pressions d'injection élevées 1000bar mais des vitesses de rotation limitées (4000tr/min). La régulation électronique est facile à réaliser en agissant sur la crémaillère avec un actionneur de faible puissance mais le réglage de l'avance à l'injection nécessite du décalage de l'arbre à cames de la pompe. DEA Conversion de l énergie- Luis LEMOYNE 15

16 Source : Chotard Ex : Système d'injection Diesel avec pompe distributrice Bosch à régulation de débit électronique et pompe d'alimentation à rouleaux. DEA Conversion de l énergie- Luis LEMOYNE 16

17 Fonctionnement : Deux étages d'alimentation (supply pump) et une pompe de gavage (presupply pump) fournissent le combustible à l'étage haute pression unique constitué par le piston plongeur (plunger). Celui-ci injecte le combustible vers chaque cylindre en décrivant un mouvement alternatif et de rotation combinés. Le mouvement de rotation assure la distribution vers chaque injecteur et le mouvement alternatif l'injection. En réglant la quantité de combustible passant dans le piston avec le tiroir de distribution (regulating collar), lui-même actionné par le levier de contrôle (control lever) on peut régler la quantité de combustible injecté. Se rajoutent à cette fonction des organes de réglage de l'avance à l'injection (timing device), des vis de réglage pour le ralenti et la pleine charge, les sécurités, et l'arrêt. Ce type de pompe peut délivrer des pressions d'injection jusqu'à 1400 bar avec des vitesses de rotation de 5000tr/min. Le contrôle de la quantité injectée et de l'avance peut être fait électriquement avec des actuateurs de faible puissance. La loi d'introduction du combustible dépend de la forme des orifices du piston plongeur ainsi que de la loi de levée de l'aiguille dans l'injecteur et ne peut pas être commandée en fonctionnement. Source : J.B. Heywood d'après Bosch 2.2. Dosage du combustible Il s'agit d'une fonction délicate dans la mesure où les quantités de combustible sont assez faibles (parfois quelques milligrammes par cycle dans les moteurs alternatifs), mais doivent être dosées avec une grande précision pour optimiser la consommation et la pollution. Aussi, les conditions de fonctionnement imposent des variations parfois importantes de débit en fonction de différents paramètres (vitesse de rotation, charge, température, etc.) que les organes de dosage doivent pouvoir contrôler. On peut distinguer les systèmes de dosage à débit continu (carburateur, régulateur) et les systèmes de dosage à débit pulsé (pompes à pistons, électrovannes rapides) Carburateurs Dans les systèmes à carburateur on utilise la dépression crée au col d'un venturi pour aspirer l'essence stockée dans un réservoir secondaire à niveau constant. Il est alors possible d'asservir la quantité de combustible introduite dans la veine d'air au débit d'air traversant le venturi. En pratique, un orifice placé au centre du venturi DEA Conversion de l énergie- Luis LEMOYNE 17

18 permet l'alimentation du mélange en combustible. Le principe de fonctionnement est bien adapté à des moteurs fonctionnant à richesse constante dans des plages de vitesse de l'air (vitesse de rotation moteur) peu étendues. Lorsque le moteur est soumis à des variations de régime importantes il faut compléter le système pour les régimes de ralenti ou de grande vitesse. Pour cela on réalise en général une série de carburateurs en parallèle qui entrent en fonctionnement successivement lorsque le régime augmente. Aussi, lorsqu'il faut enrichir le mélange pour des raisons particulières (départ à froid, recherche de couple maximum) il est nécessaire d'incorporer des alimentations supplémentaires de combustible (starter). De même, toute prise en charge d'un paramètre supplémentaire (correction altimétrique, compensation en transitoire) nécessite d'un mécanisme supplémentaire. La régulation de richesse dans ce type de doseurs est difficile. L'alimentation en combustible est faite par l'écoulement de l'air, donc dépendant des fluctuations de ce dernier. Dans les moteurs multicylindres, le débit de combustible est pratiquement continu alors que dans un monocylindre il est soumis aux pulsations de l'écoulement. Schéma de principe du carburateur avec système d'enrichissement au démarrage et correction de richesse par émulsion. 1: Venturi principal, 2: Venturi d'accélération, 3: Gicleur principal, 4: Aspiration d'air pour émulsion, 5: Tube d'émulsion, 6: Gicleur de dosage principal, 7: Chambre du flotteur, 8: Papillon, 9: Aspiration d'émulsion riche, 10: Gicleur de dosage riche, 11: Orifice de mélange ralenti, 12: Trou de transition, 13: Vis d'ajustement de mélange ralenti, 14: Vis de réglage de butée papillon. Au ralenti (ou à faible charge), le papillon est fermé et crée une dépression au niveau des orifices 11 puis 12 qui provoque l'alimentation d'essence par ces orifices. En fonctionnement chargé, le papillon est ouvert et seule la dépression au venturi 2 est suffisamment forte pour aspirer l'essence par l'orifice 3. Source : J.B. Heywood Coupe d'un carburateur Bosch complet : DEA Conversion de l énergie- Luis LEMOYNE 18

19 Source : J.B. Heywood Régulateurs Dans les moteurs à flux continu (turbines, turboréacteurs) ou dans les mo teurs alternatifs à injection continue (moteurs à allumage commandé uniquement), on injecte le combustible de façon continue. Il suffit alors de réguler le débit dans les circuits d'injection pour doser le mélange. On utilise pour cela des circuits à by-pass des pompes haute ou basse pression avec des vannes de dérivation à tiroir. La position du tiroir détermine la section de passage donc le débit de combustible. Il est facile de commander électriquement ces vannes. Il faut rajouter au circuit un régulateur de pression pour assurer la valeur du débit Pompes à piston doseur Dans le cas où les fonctions de mise sous pression et dosage sont assurées par la même pièce (piston plongeur de la pompe haute pression) la fonction de dosage est réalisée en réglant la course efficace du piston. Différentes solutions technologiques sont possibles. Il est alors assez facile, en fonction de la commande de la course du piston, de réguler le débit de combustible en fonction de divers paramètres. En particulier, il est possible de commander électriquement la course du piston. Il faut noter que l'obturation du circuit pour éviter la remontée de gaz et la fuite de combustible lors de la fin de l'injection est assurée par une aiguille poussée par un ressort située près de l'orifice d'alimentation. Il est donc difficile de maîtriser la loi d'introduction du combustible lors de la course du piston, car elle dépend des caractéristiques mécaniques du combustible, des sections variables de passage et des raideurs des ressorts obturant les conduits ainsi que des caractéristiques des tuyaux d'alimentation Injecteurs à électrovanne La solution apparemment la plus simple pour doser le combustible et réaliser une régulation fonction de différents paramètres est de commander une électrovanne obturant le passage de combustible. Cela impose aux systèmes de DEA Conversion de l énergie- Luis LEMOYNE 19

20 mise sous pression un débit constant en fonction du temps et des conditions de fonctionnement, de façon à linéariser la loi d'introduction du combustible. Par contre, toutes les libertés sont possibles pour le dosage et la loi d'introduction en découpant cette dernière en une série d'impulsions. La contrainte imposée à l'électrovanne est donc surtout la vitesse de réponse. Ce genre de solution est réalisable facilement lorsque les pressions du circuit d'alimentation et de l'enceinte où l'on introduit le combustible sont faibles. Dans le cas contraire, les efforts demandés à l'électrovanne lors de l'ouverture du circuit imposent des puissances électriques très importantes. Il faut alors commander indirectement l'ouverture du circuit principal en agissant sur un amplificateur hydraulique. La course de la tige de l'électrovanne peut être alors réduite mais la réponse globale du système est ralentie par rapport à l'action directe de l'électrovanne. Injecteur basse pression pour moteur à essence injection indirecte: Fonctionnement : Le courant appliqué au connecteur (plug) charge la bobine (coil) et crée une force électromagnétique qui rappelle l'aiguille (valve needle) et permet le passage du combustible depuis le conduit d'admission (inlet) jusqu'à l'orifice du téton (Pintle). Lorsque l'alimentation électrique cesse un ressort rappelle l'aiguille et la maintient sur son siège en obturant le passage de combustible. Le débit pendant l'ouverture est constant à condition que la pression d'alimentation soit constante pendant l'ouverture. Pour éviter les fluctuations de débit des pompes, un réservoir sous pression régulée et de volume important (rail ou rampe d'injection) alimente les injecteurs. Source : Doc SAE Injecteur Haute pression pour injection directe : Dans le cas de hautes pressions d'injection, l'électrovanne ne peut à elle seule vaincre l'effort du ressort de rappel, qui doit lui-même résister pendant la fermeture, aux efforts de pression sur le siège de l'aiguille. L'électrovanne agit donc sur un circuit hydraulique secondaire qui permet le déséquilibre des forces agissant sur l'aiguille. Ce circuit peut être un amplificateur hydraulique ou une vanne de décharge. Dans les systèmes développés c'est la deuxième solution qui permet les temps de réaction les plus rapides. Comme pour le cas des basses pressions, la gestion du débit est beaucoup plus facile si le circuit d'alimentation avant la vanne est à pression constante. Les injecteurs sont donc alimentés par une rampe ou rail d'injection à pression régulée. Ex : Injecteur Bosch pour applications common-rail. Lorsque l'injecteur est fermé l'aiguille est soumise aux forces de pression sur la tête et sur le siège ainsi qu'à la force du ressort de rappel. Si la pression appliquée à la tête de l'aiguille diminue en gardant la pression appliquée DEA Conversion de l énergie- Luis LEMOYNE 20

21 au siège constante, on obtient le déséquilibre et la levée de l'aiguille. Ceci est obtenu en mettant la cavité en tête d'aiguille à une pression basse avec le déplacement de la vanne à bille située en haut de l'injecteur. Lorsque celleci se lève, actionnée par l'électrovanne, le circuit de décharge en tête de l'aiguille D est mis en communication avec le circuit d'alimentation A. La pression en tête de l'aiguille chute et l'aiguille se lève à une vitesse qui dépend des sections en D et A. Lorsque l'électrovanne n'est plus actionnée le ressort de rappel de la bille ferme le conduit D et la pression en tête de l'aiguille augmente par l'alimentation du circuit haute pression A. L'électrovanne peut ne fournir qu'un effort modéré qui crée le déséquilibre entre les efforts de pression exercés sur la bille (appliqués sur une petite section) et le ressort de rappel de la bille. DEA Conversion de l énergie- Luis LEMOYNE 21

22 D A DEA Conversion de l énergie- Luis LEMOYNE 22

23 Source : Doc technique Bosch 2.3. Pulvérisation des combustibles liquides La pulvérisation a lieu à l'extérieur des organes d'alimentation mais est conditionnée par eux. Les organes qui l'assurent sont des orifices calibrés et des systèmes d'assistance particuliers dont le développement est encore en cours. DEA Conversion de l énergie- Luis LEMOYNE 23

24 Gicleurs Dans le cas des carburateurs un gicleur est disposé à l'extrémité de la buse qui amène le combustible jusqu'à la veine d'air ou au tube d'émulsion. Il s'agit d'un simple orifice au profil et aux dimensions particulières. Dans les systèmes à carburateur, on peut obtenir des granulométries assez fines (DMS~80µm) mais les dépôts peuvent être importants à cause de la distance à parcourir jusqu'à la chambre Injecteurs Les injecteurs équipent la majeur partie des systèmes d'alimentation. Ils contiennent dans certains cas l'électrovanne de dosage ou la vanne de fermeture du circuit (aiguille) dans le cas des débits pulsés. Ils ont comme fonction finale de pulvériser le combustible par l'intermédiaire d'un orifice calibré placé à l'extrémité. Celuici peut avoir différentes configurations. Les caractéristiques de pulvérisation dépendent beaucoup de la pression d'injection. Injecteurs à trous L'orifice est semblable à celui des gicleurs, mais en fonction des besoins il peut y en avoir plusieurs de façon à créer plusieurs jets (cas des moteurs multisoupapes, ou diesels injection directe). La pulvérisation se fait par action des forces aérodynamiques. On obtient des granulométries assez fines pour un coût modéré avec des jets assez directifs. (DMS~150µm pour une pression d'injection de 3bar, DMS~20µm pour 800bar). Injecteur Diesel 5 trous Schéma de l'injecteur Diesel Bosch DEA Conversion de l énergie- Luis LEMOYNE 24

25 Source : Doc SAE Injecteurs à téton L'orifice est partiellement obstrué par un obstacle central (téton) sur lequel s'écrase le jet. La pulvérisation est obtenue principalement par désintégration du jet sur le téton puis par action des forces aérodynamiques. La pulvérisation peut être assez fine et les jets en général assez ouverts pour un coût assez faible. Injecteur Diesel à téton Schéma de l'injecteur Diesel Bosch DEA Conversion de l énergie- Luis LEMOYNE 25

26 Source : Doc SAE Injecteurs à swirl Dans ce type d'injecteur on cherche à donner au jet un mouvement rotatif qui augmente la turbulence du jet et facilite la pulvérisation. Une plaque est traversée par le liquide à travers plusieurs orifices de section souvent carrée désaxés par rapport au sens d'écoulement du liquide. On obtient un seul jet bien qu'il y ait plusieurs orifices de sortie. L'interaction des jets issus de chaque orifice améliore la pulvérisation. On obtient des granulométries fines (DMS~60µm pour 3bar) avec des jets de configurations diverses (directifs ou pas) mais le coût de fabrication est assez élevé et la mise au point délicate. DEA Conversion de l énergie- Luis LEMOYNE 26

27 Source : Doc SAE Injecteurs assistés en air Ce type d'injecteur nécessite d'une alimentation en air sous pression. Celui-ci est amené jusqu'à l'extrémité de l'injecteur perpendiculairement au sens d'écoulement du jet liquide. Il en résulte un cisaillement puissant du liquide et une pulvérisation efficace. La granulométrie peut être très fine (DMS~30µm pour 2bar) mais au prix du système d'air. DEA Conversion de l énergie- Luis LEMOYNE 27

28 DEA Conversion de l énergie- Luis LEMOYNE 28

29 Source : Doc SAE Injecteurs à impact de jets Dans ce type d'injecteur la pulvérisation est obtenue par l'interaction de deux jets croisés. Les gouttes obtenues sont assez fines à condition d'avoir un angle d'incidence élevé. Ceci se traduit par un angle d'ouverture important. Les caractéristiques de la pulvérisation sont spécifiques à chaque géométrie car très dépendantes de l'angle d'incidence des jets (DMS~70 à 120µm pour 3bar), de la pression d'injection et la distance parcourue avant impact des jets mais le coût reste modéré. Une variante de ce système est d'orienter un seul jet vers une paroi de l'injecteur. La pulvérisation est assez bonne mais il se forme des dépôts sur la paroi qui diminuent la précision du dosage et sont nuisibles à la formation du mélange. DEA Conversion de l énergie- Luis LEMOYNE 29

30 Source : Doc SAE Injecteurs à vibration Dans ce type d'injecteur une cavité contenant le liquide vibre à haute fréquence. Une cellule piézo-électrique génère la vibration qui est transmise au liquide. Le mouvement oscillatoire de la surface libre du jet permet aux forces d'inertie de désagréger le jet liquide. On peut obtenir des granulométries très fines (DMS~30µm pour 2 bar) et une faible dispersion des diamètres de gouttes mais au prix du système vibratoire. De plus, les débits d'injection sont limités à certaines plages par les fréquences d'excitation (40 à 80 KHz) et la vitesse initiale des gouttes plus faible qu'avec d'autres systèmes (moins de 5m/s au lieu de 20m/s). DEA Conversion de l énergie- Luis LEMOYNE 30

31 Source : Doc SAE Injecteurs à vapeur Dans ce type d'injecteur une cavité fortement chauffée élève la température du combustible, ce qui a pour effet d'améliorer la pulvérisation et amorcer l'évaporation par création de bulles de vapeur dès le nez de l'injecteur. Les performances de pulvérisation sont excellentes dans certaines plages de température mais énergétiquement trop coûteuses pour des débits importants. DEA Conversion de l énergie- Luis LEMOYNE 31

32 Source : Doc SAE Facteurs de qualité de pulvérisation Il est nécessaire pour classifier les organes de pulvérisation, d'examiner les facteurs qui caractérisent une bonne pulvérisation pour les besoins de la formation du mélange. DEA Conversion de l énergie- Luis LEMOYNE 32

33 Granulométrie Elle mesure la taille des gouttes émises. En général, sauf pour les injecteurs à vibration, la distribution des tailles de gouttes est très étendue. Un bon injecteur génère un grand nombre de petites gouttes et peu de grandes gouttes. On utilise pour quantifier cette distribution les moments statistiques d'ordre 1,2 et 3 : Soit f(d) le nombre de gouttes de diamètre d à δd près Diamètre moyen : d = 10 df ( d)δ d 2 Diamètre moyen de Surface : d = d f ( d)δ d 3 3 Diamètre moyen de Volume: d = d f ( d)δ d Diamètre moyen de Sauter DMS : d 32 = d d Ces caractéristiques statistiques sont utilisées car elles rendent compte en moyenne pour le jet de la taille du diamètre, du diamètre représentatif pour les effets dépendant de la surface, du diamètre représentatif des effets liés à la masse et au rapport surface sur volume respectivement. Distance de pulvérisation Elle mesure la longueur du jet condensé liquide dans le milieu gazeux avant que la pulvérisation complète n'ait eu lieu. DEA Conversion de l énergie- Luis LEMOYNE 33

34 Angle d'ouverture Il représente la portion angulaire à l'intérieur de laquelle il existe une probabilité donnée non nulle de trouver des gouttes issues de la pulvérisation. Les injecteurs très directifs ont un angle d'ouverture faible, contrairement à ceux à jet diffus qui émettent des gouttes dans toutes les directions Dosage du comburant Dans les moteurs où l'alimentation en air doit être régulée (moteurs à richesse constante), on installe en général un papillon des gaz qui limite la section de passage de l'air, ce qui se traduit par une limitation du débit dans les conduits. Dans tous les autres cas, on essaye d'éviter de placer des obstacles dans les conduits d'admission et le débit d'air est fixé par la vitesse de rotation du moteur Conduits, soupapes et chambre Les parois des conduits des soupapes et de la chambre de combustion participent à la formation du mélange à travers les dépôts de combustible et l'interaction avec le mélange gazeux. Leur température et leur rugosité ainsi que la nature de leur mouvement éventuel doivent être étudiés dans le cadre de l'amélioration du mélange. La configuration géométrique des conduits et de la chambre donne lieu à des mouvements particuliers de la charge gazeuse. Dans les moteurs à piston ces mouvements portent différents noms selon l'axe principal de rotation (swirl, tumble) et sont obtenus en faisant glisser la veine gazeuse le long des parois du cylindre, du piston ou de la culasse qui agissent alors comme des déflecteurs. Il faut alors donner au piston et à la culasse une configuration convexe (chambre en toit, piston en forme de bol) pour continuer le mouvement rotatif. La synchronisation des ouvertures et fermetures des soupapes ou des lumières est particulièrement critique pour obtenir des mouvements efficaces. En général les dépôts de combustible sur les parois sont évités au maximum. Mais dans certains cas on cherche au contraire à créer un film qui donne lieu naturellement à une zone riche. C'est le cas des moteurs Diesel M.A.N. à chambre hémisphérique et de certains moteurs essence à injection directe où la charge doit être stratifiée et contenue dans une zone proche de la bougie Génération du swirl La rotation de la masse gazeuse est obtenue en lui fournissant un moment cinétique avant le passage dans la chambre, soit par des conduits en hélice, soit par des soupapes, orientant le jet gazeux tangent aux parois de la chambre. Le Swirl se crée pendant la phase d'admission et se prolonge jusqu'à la phase d'échappement, car le mouvement du piston se fait dans une direction perpendiculaire à l'axe de rotation du Swirl. Conduits d'admission générateurs de Swirl : DEA Conversion de l énergie- Luis LEMOYNE 34

35 Source : J.B. Heywood Soupapes d'admission pour génération du Swirl : Source : J.B. Heywood DEA Conversion de l énergie- Luis LEMOYNE 35

36 Génération du tumble ou squish Le mouvement de rotation tumble est obtenu en orientant le jet gazeux tangent aux parois de la chambre. Il se crée lors de la phase d'admission et est modifié par la remontée du piston donnant éventuellement lieu au squish, qui est le mouvement rotatif rémanent dans le volume de la chambre de combustion selon l'axe horizontal. Ce dernier peut être engendré par la remontée du piston sans qu'il y ait eu génération de tumble. Source : Doc SAE DEA Conversion de l énergie- Luis LEMOYNE Source : J.B. Heywood 36

37 Chambres de moteurs alternatifs Les chambres des moteurs alternatifs sont formées par la culasse et par la face supérieure du piston. On distingue les chambres pour moteurs à admission indirecte et celles pour moteurs à admission directe, où il faut séparer les injections directes et les injections à préchambre. Les chambres à admission indirecte sont réservées aux moteurs à allumage commandé à mélange homogène, et la plupart du temps configurées pour obtenir un mouvement de rotation tumble. Les chambres à admission directe à injection directe se retrouvent dans les moteurs Diesel et essence à charge stratifiée. Les premiers utilisent plutôt le Swirl et les seconds le tumble, bien que des variantes soient possibles, y compris la combinaison des deux mouvements dans une même chambre. La difficulté de l'injection directe est d'obtenir une combustion complète dans le brève délai de temps imparti. Car il faut que les gouttes de combustible aient le temps de se vaporiser alors que la chambre a été refroidie par l'admission et que les zones riches soient correctement ventilées pour pourvoir prolonger la combustion. Les chambres à admission directe à injection dans une préchambre génèrent elles-mêmes les mouvements de brassage, sous l'action de la remontée du piston et de l'augmentation de pression lors de la combustion. Les taux de mélange sont très élevés et la combustion est facile à obtenir dans ce type de chambre car les conditions idéales d'initiation de la combustion sont crées dans la préchambre. Dans les chambres à Swirl la partie piston est presque toujours à symétrie axiale, alors que dans les chambres à tumble elle est au plus à symétrie plane. Chambres de mo teur Diesel à injection directe : Source : J.B. Heywood Chambres de moteur Diesel à injection indirecte à préchambre : DEA Conversion de l énergie- Luis LEMOYNE 37

38 Source : J.B. Heywood Chambres de moteur à allumage commandé : DEA Conversion de l énergie- Luis LEMOYNE 38

39 DEA Conversion de l énergie- Luis LEMOYNE 39

40 DEA Conversion de l énergie- Luis LEMOYNE 40

41 DEA Conversion de l énergie- Luis LEMOYNE 41

42 Source : J.B. Heywood Les moteurs à allumage commandé à injection directe en développement adoptent globalement les mêmes chambres que ci-dessus, généralement à bougie centrale. Mais un logement particulier doit être prévu pour l'injecteur, qui est généralement orienté en diagonale vers le centre du piston et fixé à la culasse Circulation dans les chambres de combustion de turbine Dans les moteurs à flux continu comme les turbines à gaz, les turboréacteurs, etc., il existe essentiellement deux types de chambres de combustion, les chambres séparées, et les chambres annulaires. Dans les chambres séparées l'injecteur est généralement situé au centre de la veine d'air et l'injection se fait dans le sens d'écoulement des gaz. Des mouvements tourbillonnaires sont crées par déflexion des gaz à proximité de la DEA Conversion de l énergie- Luis LEMOYNE 42

43 zone d'injection où le mélange est riche. Un écoulement secondaire d'air permet de diluer le mélange un peu plus loin, de le refroidir et de compléter la combustion du mélange riche issu de la veine principale. Le flux total du moteur peut ainsi être divisé dans plusieurs chambres où le débit est plus faible et qui sont donc plus faciles à optimiser. Par contre, les pertes de charge sont plus importantes que dans le cas des chambres annulaires. Dans les chambres annulaires tout le flux gazeux du moteur circule dans une même veine. Les injecteurs sont situés radialement autour de la chambre et injectent perpendiculairement à l'écoulement gazeux. Chacun injecte peu de combustible et la pulvérisation est facilitée par le cisaillement du jet d'injection mais il faut disposer un nombre aussi grand que possible d'injecteurs pour homogénéiser l'anneau de flammes. De plus, la mise au point de chambres de combustion de ce type pour des moteurs de taille importante est difficile compte tenu des débits importants qui y circulent. Par contre, il y a un minimum de pertes de charge. Enfin, les deux types de chambre peuvent être combinés; on parle alors de chambres mixtes : la combustion peut par exemple commencer dans des chambres séparées et se poursuivre dans une chambre annulaire de façon à s'homogénéiser avant d'arriver sur la turbine. DEA Conversion de l énergie- Luis LEMOYNE 43

44 DEA Conversion de l énergie- Luis LEMOYNE 44

45 Source : A. Kalnin 2.6. Recirculation des gaz brûlés Backflow Sur les moteurs multi-cylindres à aspiration naturelle (non suralimentés) il règne dans le collecteur d'admission une pression inférieure à la pression atmosphérique, particulièrement à charge partielle sur les moteurs à papillon des gaz. En même temps il règne dans le collecteur d'échappement une pression supérieure à la pression atmosphérique. A l'ouverture de la soupape ou de la lumière d'admission les gaz contenus dans le cylindre ont donc tendance à remonter vers l'admission pour équilibrer la différence de pression. Si de plus la soupape ou la lumière d'échappement est ouverte (croisement) il y aura écoulement des gaz brûlés vers l'admission. Ces gaz vont repousser les gaz frais et s'y mélanger. A faible charge, aux premiers instants de croisement, l'écoulement établi peut être sonique. En général le débit des écoulements retour (ou backflow) est faible et la masse transvasée puis mélangée aux gaz frais est négligeable par rapport à la masse du mélange. Néanmoins cet écoulement peut influencer de façon importante les fluides situés à proximité des soupapes ou des lumières d'admission. En particulier, sur les moteurs à allumage commandé à injection indirecte, une part importante de la masse d'essence injectée peut se déposer sur la soupape d'admission. Les contraintes locales importantes que subit le dépôt lors DEA Conversion de l énergie- Luis LEMOYNE 45