2.4.1.2- Adaptation du Système d’Injection

Le système d’injection occupe une partie importante parmi les facteurs contrôlant les émissions polluantes des moteurs Diesel à injection directe.

En effet, de nombreux travaux de recherche tentent d’analyser son influence sur l’évolution des émissions à travers des études numériques et expérimentales.

Ce système global comporte un groupe de paramètres ayant des effets directs ou indirects dépendant de la nature des moteurs étudiés et des émissions observées.

On cite ci-après quelques-uns :

- L’Avance à injection :

On se réfère notamment dans cette partie aux études réalisées par Jia et al. [54] qui utilisent une simulation numérique 3D pour étudier la combustion diesel.

L’effet de ce paramètre sur le délai d’auto-inflammation est très net : plus le carburant est injecté tôt au cours de la compression plus le délai augmente. Par conséquent, une augmentation de la combustion de pré-mélange et une pression ou un dégagement de chaleur plus élevés sont observés par Jia [54], ce qui est confirmé par Degobert [23] Zhu et al. [53] ainsi que Shayler et al. [55].

Dans ses études, Jia [54] observe en parallèle l’effet du timing de fermeture des soupapes d’admission. La Figure 33 montre que pour un temps d’injection fixe, la fermeture retardée de la soupape

d’admission réduit la quantité de BC produite, par réduction du taux de compression effectif. De

même, si on fixe le temps de fermeture des soupapes d’admission, le retard à l’injection réduit la

production des BC à cause de la baisse résultante de la température et la pression cylindre [53].

En outre, lors des variations d’avance à l’injection, un compromis apparait entre la réduction des

émissions de BC et la hausse des émissions de suies, CO et HC (liée à la réduction de la température

en fin de combustion qui se trouve décalée plus tard dans la détente et qui compromet l’oxydation) et de la consommation spécifique [23] [53].

55 Figure 33: L’effet du temps d’injection et de la fermeture de la soupape d’admission sur les émissionsÅÆÇ. [54]

La Figure 34 illustre les évolutions des suies CO HC qui augmentent lors d’injection très tardives, mais aussi en cas d’injection très précoces, surtout lorsque la fermeture des soupapes d’admission est tardive.. Cela est probablement dû à la faible masse d’air enfermée et donc à une richesse plus forte du mélange [23] et à une augmentation des zones pauvres [40], ainsi qu’à la probabilité importante de l’impact du carburant injecté sur les parois de la chambre de combustion favorisant l’émission d’imbrûlés [54] [40].

Figure 34: L’effet du temps d’injection et de la fermeture de la soupape d’admission sur les émissions de suie, HC et CO. [54]

- La Pression d’Injection :

La pression d’injection favorise la formation des BC d’une part, et réduit les particules et les

hydrocarbures imbrûlés d’autre part. Ça revient principalement à une combustion de pré-mélange avancée et d’intensité plus haute (température, pression et dégagement de chaleur plus importants) [56] ainsi qu’à une atomisation plus élevée et plus de régions pauvres. D’après Park et al. [57], les émissions de HC sont principalement liées au carburant qui reste dans le volume du sac de l’injecteur pour les petites pressions d’injections.

Plusieurs auteurs [23] [48] [47] relient les quantités de suie et de BC formées à la vitesse d’injection

qui est proportionnelle à la racine carrée de la pression d’injection (`#$P ~ √∆Pïðñ).

Avec une pression d’injection plus importante, on a une vitesse d’injection plus rapide qui conduit à une longueur d’accroche de flamme plus grande c’est-à-dire à plus d’entrainement d’air et par

conséquent à moins de suie (moins de richesse locale) et plus de BC (température plus élevée). Pickett

et al. [47] ajoutent aussi l’effet du temps de résidence du carburant qui se réduit avec la vitesse d’injection, réduisant en conséquence la suie formée. Degobert [23] évoquent une pression optimale (située entre 75 et 100 MPa dans le cas étudié) : pour une pression trop élevée la suie est encore plus réduite mais la consommation spécifique et le bruit augmentent.

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Patterson [58] et Pierpont et al. [59] mentionnent aussi la nécessité de trouver un compromis entre les émissions et la consommation spécifique.

Mallamo [56] définit une fonction objectif qui représente le compromis entre les BC et les particules

et qu’on cherche à minimiser pour combiner de faibles émission de BC et de PM.

%±d) = ò±BC ){+ ±LG ∗ 10){ ^(1.51)

Il montre (Figure 35) l’influence de la pression d’injection et de l’avance à l’injection et obtient un réglage optimal pour une pression d’injection intermédiaire.

Figure 35: PM vs ÅÆÇ produits en fonction de la pression d’injection et du début d’injection. [56] - La Multi-Injection :

Les effets de la multi-injection sur les émissions et le rendement des moteurs Diesel sont variables et parfois antagonistes, de telle sorte qu’il n’est pas possible de les résumer simplement.

Patterson et al. [58] montrent par de simulations que plus on divise les injections, plus on a de masse

d’air réchauffée, plus on produit de BC et moins on émet de suie.

Shundoh et al. [60] et Nehmer et al. [61] montrent que la multi-injection peut également réduire

simultanément les émissions de BC et des particules en jouant sur les quantités injectées durant les

diverses injections utilisées. Ils observent que la réduction de la quantité du carburant dans la

première injection ou injection pilote réduit les émissions de BC et favorise celle des particules. Pour

eux, cet effet est très similaire à celui du retardement de l’injection.

D’autres auteurs montrent l’importance du temps de Dwell qui sépare les différentes injections.

Avec un Dwell réduit au minimum, on obtient un peu moins de BC et un peu plus de suie que pour

une simple injection, réduisant le pic de pression et de température et le bruit de la combustion de pré-mélange. En outre, dans ce cas la quantité de carburant injectée n’affecte pas la courbe du compromis

BC /PM [62]. En revanche, selon l’étude de Shayler [55] la quantité de suie formée est plus réduite

pour un rapport d’injection (1ère/2ème) plus faible, tandis qu’on observe plus de BC .

Pour un temps de Dwell plus important, on observe moins de suie et moins de BC c’est-à-dire une

courbe de compromis BC /PM plus proche de l’origine [62]. Dans son étude, Tow [62] montre que

pour un niveau de BC constant, un temps de dwell = 10 °vil est le temps optimal pour un minimum

de suie.Shayler et al. [55] adoptent une séparation de 20° vil entre les différentes injections. D’après leurs travaux, pour une injection double, la réduction de la part injectée lors de la première injection

aboutit à une réduction de BC à cause de la température plus faible qui règne avant la 2ème injection

(la formation des BC sera gelée durant la détente). En revanche l’augmentation de la part injectée

dans la deuxième injection favorise la formation de suie.

A propos de la pré-injection, Benajes [63] montre une réduction de la consommation spécifique qui résulte d’un rendement de combustion amélioré. Ce dernier est une conséquence logique du

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rapprochement de la combustion principale du point mort haut à cause de la pré-injection mise en place. En revanche, les émissions polluantes subissent une influence négative dans la plupart des cas

étudiés, avec une augmentation relative des BC et des suies, toujours dépendant du dwell et du

rapport des quantités injectées.

Concernant la post-injection, les effets sont également variables, notamment en fonction de la température à la fin du dégagement de chaleur. D’après Benajes [63] l’allongement de la durée de combustion par une post-injection peut permettre une réduction de la suie émise si la température à la fin de combustion est suffisante, ce qui est aussi prouvé dans les études expérimentales réalisées par O’connor et al. [64]. En revanche, la consommation spécifique augmente, tandis que les émissions de BC , sont peu affectées, le début de la combustion n’étant pas modifié.

O’connor et al. [64] montrent que le raccourcissement de l’injection principale réduit la production de suie [23], car il limite l’enrichissement du spray qui favorise la formation des suies.

- Conception de la Buse de l’Injecteur :

La géométrie et les conditions régnant au niveau de la buse de l’injecteur affectent les émissions de HC et de suie à l’échappement. L’impact dépend notamment du type de buse, du diamètre de l’orifice ou du trou d’injection, du petit volume du sac qui se situe entre le siège de l’aiguille de l’injecteur et les trous d’injections ainsi que du nombre de trous.

La plupart des auteurs prennent en compte l’effet intermédiaire de la géométrie sur la pression d’injection ou bien sur le taux d’injection. Les deux types les plus connus sont : les buses arrondies ou « rounded-edged nozzles » et les buses à angles vifs ou « sharp-edged nozzles ». Chaque type a besoin d’une pression d’injection spécifique pour atteindre le même taux d’injection.

Les résultats expérimentaux obtenus par Pierpont et al. [59] montrent que pour la même vitesse d’injection on observe des émissions de particules beaucoup moins élevées pour la buse à angles vifs. Ce résultat est attribué au rapport réduit de la longueur sur le diamètre (L/D).

D’après Tree [48], si on réduit le diamètre de l’orifice de l’injecteur, la longueur d’accroche de flamme diminue encore mais en conservant une quantité constante d’air entrainée. D’autre part, on a moins de carburant injecté et par conséquent une richesse réduite, ce qui implique une réduction de la suie formée.

La géométrie de l’injecteur a également un effet prononcé sur les émissions de HC, liées notamment au volume du sac de l’injecteur [23].

Enfin, l’optimisation du e nombre de trous de l’injecteur peut permettre de réduire les émissions de particules. Selon Degobert [23], pour un injecteur plus central et moins oblique et pour un régime plus bas il faut élever le nombre de trous.