Partie III. Carburants de substitution en mélange dans les MCI
7.2.1 Analyse des publications liées à cette l'étude
Plusieurs auteurs indiquent qu'avec l'épuisement des stocks du pétrole, le gaz naturel deviendra le combustible le plus répandu pour les moteurs à combustion interne [1, 5, 14 etc.]. Pour améliorer les propriétés écologiques de ce combustible, on doit le mélanger avec l'hydrogène [2].
Par exemple, la voie la plus efficace pour la réduction de la toxicité du moteur à gaz est l'utilisation du concept de «la combustion pauvre». De plus, la combinaison de l'hydrogène avec le gaz naturel permet d’éliminer l’inconvénient principal - la combustion incomplète du mélange gazeux et le préallumage, ainsi elle permet d'augmenter la limite inférieure de l'inflammation du mélange selon [3]. En outre la conversion du moteur fonctionnant avec le combustible [liquide] à base de pétrole, avec le gaz naturel comprimé permet d'augmenter la durée de la combustion qui, à son tour, mène à l'augmentation des émissions des hydrocarbures imbrûlés CH dans les gaz d’échappement. L’ajout de l'hydrogène dans le gaz naturel augmente la vitesse de la flamme, en réduisant la durée de la combustion et en réduisant ainsi les émissions des CH [4, 5].
Les études réalisées dans [6, 7], montrent qu'une petite augmentation de la concentration de l'hydrogène dans le combustible à gaz contribue à l'augmentation de la
puissance du moteur de quelques pour-cent en fonction du régime. Cela se produit grâce à la hausse de la vitesse de la flamme et au pouvoir calorifique inférieur de combustion élevée (Hu) de ce combustible.
En outre, l’ajout d'hydrogène réduit l'énergie de l'inflammation nécessaire à combustion efficace du combustible principal. Ainsi, l’ajout d'hydrogène au gaz naturel de 10 % permet de diminuer l'énergie d'inflammation de 5-7 fois. Cela évite l’utilisation du système d'allumage multi-étincelles haute énergie lors de la conversion du moteur à essence vers le gaz naturel [9].
7.2.2 But de l'étude
L'analyse des publications a démontré qu'il serait opportun d'utiliser le mélange du gaz naturel avec l’hydrogène (mélange de carburants) en tant que carburant pour moteur. Ainsi, le but de l'étude est la sélection des paramètres optimaux du fonctionnement du moteur à petite cylindrée 4CH7.5/7.35, fonctionnant avec le mélange de carburants.
7.3 Banc d’essai
Pour exécuter les tests sur le moteur 4CH7.5/7.35, fonctionnant avec le mélange du gaz naturel comprimé et d'hydrogène, on utilisait un banc d’essai décrit dans [10]. Afin d’assurer le fonctionnement du banc d’essai avec le mélange du gaz naturel et d'hydrogène, on utilisait le système d’alimentation en hydrogène décrit dans [11]. Ce système assure l’alimentation indépendante en trois sortes de combustible (l’essence, le gaz naturel et l'hydrogène), dans différentes proportions. En outre, pour l'alimentation en essence, on utilisait le circuit électronique d’alimentation du combustible du moteur MeMz-307. La vue générale du système d’alimentation en gaz naturel et en hydrogène, installé sur le banc d’essai est présentée sur la figure 7.1.
Le taux de compression sur le banc d’essai pouvait être modifié à l'aide de trois ensembles de pistons assurant assurant les valeurs suivantes de ε : ε = 9.8; ε = 12 et ε = 14.
7.4 Dispositions générales du modèle de calcul
Pour économiser les ressources matérielles, on a choisi l'approche analytique et expérimentale lors de cette étude. À titre du modèle de calcul, on a utilisé le modèle de Wiebe avec précisions proposées dans [12]. Les précisions consistent à considérer que l’indice de la combustion de Wiebe m n’est pas une constante, mais varie au cours de la combustion. La méthode de définition de la variation de l’indice de la combustion de Wiebe m au cours de la combustion par voie de traitement de la caractéristique du dégagement de chaleur reçue expérimentalement, est aussi exposée dans [12].
Puisque les précisions de la méthode de Wiebe proposées dans [12], sont fondées sur les données expérimentales, en vue de garantir l'exactitude des calculs avec l'utilisation du modèle donné, on a accompli des tests sur le moteur 4CH7.5/7.35 sur 27 régimes à 3° degrés d’angle de vilebrequin avant le début de la compression. Les régimes d'essai étaient choisis arbitrairement.
À la base des résultats des tests réalisés, on reçoit la relation entre l’indice variable de la combustion de Wiebe et la durée de la combustion dans le moteur fonctionnant avec le mélange combustible. var
(
)
2 3 4 5 0.25 18 1 500 10.639 0.00025 40 0.8 11 5000 2.3 28.025 98.045 156.86 86.88 v i i i i i i n m ϕ α θ η ε ψ ϕ ϕ ϕ ϕ − + + + = ⋅ ⋅ + ⋅ × ⋅ ⋅ − − ⋅ − ⋅ + ⋅ − ⋅ + ⋅ , (7.1)où, φ�i - angle relatif de la combustion, φ�i = 0 … 1; n - la fréquence de rotation du vilebrequin du moteur, min-1; α - coefficient d’excès d'air; 𝜂𝜈- coefficient de remplissage; θ - angle d’avance à l’allumage, ° tours-vilebrequin jusqu'au point mort haut; ε - taux de compression; ψ - volume d'hydrogène ajouté au gaz naturel, ψ = 0 … 1.
La relation entre la durée de la combustion et la part de l'hydrogène dans le mélange combustible ψ sur le régime établi est exposée sur la figure 7.2.
Fig. 7.2 Relation entre la durée de la combustion et la part d'hydrogène dans le mélange combustible (les paramètres du régime : n = 1000 min-1; ε = 12; α = 1; ηv = 0.7;
θ = 22° tours-vilebrequin jusqu'au point mort haut)
En vertu de l'étude de l'influence de l’ajout d'hydrogène sur la durée de la combustion, on reçoit l'équation de calcul de la durée de la combustion dans le moteur à petite cylindrée fonctionnant avec mélange de combustible.
(
4)
v 37 0.812 0.015 4, 223 10 0.1258 0.947 0.788 z n ϕ = ⋅ ⋅ −α ⋅ +θ ⋅ − ⋅ − ⋅ +η − ⋅ψ (7.2)Pour le contrôle du modèle de Wiebe avec les équations obtenues, on a réalisé des tests supplémentaires sur 10 régimes. En comparant les valeurs de pression indiquée pi
obtenues suite aux expérimentations avec celles calculées selon la méthode proposée, on obtient l’erreur de calcul < 5%.
Puisque les matières toxiques se forment principalement dans la flamme et dans les produits de combustion et l'apparition de la détonation dans le moteur dépend directement de la température du mélange imbrûlé lors de la combustion, le modèle précisé de Wiebe était complété avec le modèle à deux zones du calcul de la combustion, décrit dans [15].
Pour la modélisation de la concentration des matières toxiques dans le cylindre du moteur sur la base des températures du mélange brûlé, issues du calcul mené avec le modèle à deux zones, on a utilisé la méthode du calcul de la composition d'équilibre des produits de combustion avec précision du contenu de NOx selon l'équation cinétique, proposée par