Effets de l'EGR sur l'admission du moteur

L'application de l'EGR dans un moteur diesel a un certain nombre d'effets sur le fonctionnement du moteur. La figure 1.2.12 résume les effets de l'EGR sur la charge d'admission d'un moteur diesel hypothétique à aspiration naturelle fonctionnant à un rapport air/carburant de 32:1. La figure montre, à titre d'exemple, que 25% du débit volumique d'air d'entrée est retiré et remplacé par un débit égal d'EGR chaud à 700 K. Comme le montre la figure 1.2.12, cela a un certain nombre d'effets sur la charge d'admission du moteur, qui seront discuté ci-dessous [84].

1.2.6.1. Réduction de la masse de charge d'entrée (effet d'étranglement thermique)

La figure 1.2.12 illustre le premier effet majeur de l'EGR sur la charge d'admission du moteur. La figure montre que l'application d'EGR chaud provoque une réduction de 14% du débit massique de la charge d'admission du moteur, de 49 g/s avant l'utilisation de l'EGR à 42 g/s après l'application de l'EGR chaud. Cette réduction du débit massique de la charge admise est due à une baisse de l'efficacité volumétrique du moteur, provoquée par l'augmentation de la température de la charge d'admission avec un EGR chaud moins dense. Cette réduction de la masse de la charge d'entrée sera appelée effet d'étranglement thermique de l'EGR.

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1.2.6.2. Réduction de la concentration en oxygène de la charge d'entrée (effet de dilution)

La figure 1.2.12 montre que le remplacement d'une partie de l'air d'admission par l'EGR entraîne une réduction substantielle du débit massique d'oxygène entrant dans les cylindres. La figure montre que le débit d'oxygène est réduit de 11,3 g/s sans EGR à 9,13 g/s avec EGR, soit une réduction de 19%. Cependant, hors de la réduction globale de 19% de l'oxygène, 14% (c'est-à-dire de 11,3 à 9,7 g/s) sont provoqués, tout simplement, par le rendement volumétrique inférieur (étranglement thermique). L'autre 5% de cette réduction globale (c'est-à-dire de 9,7 à 9,13 g/s) est causé par le fait que l'EGR est moins riche en oxygène que l'air qu'elle remplace. Cette dernière réduction de 5% de la concentration en oxygène sera appelée l'effet de dilution de l'EGR [77]. Une quantité considérable de travaux publiés [56,77] montre que les changements dans la concentration d'oxygène de la charge d'entrée peuvent affecter sensiblement les émissions des NOx et des particules des moteurs diesel. Par exemple, l'enrichissement en oxygène de la charge d'entrée entraîne une augmentation des NOx et une réduction des émissions des particules. La question qui se pose donc est de savoir pourquoi la réduction de la concentration en O2 dans le cylindre diminue les émissions des NOX. Une explication possible de cet effet est discutée à l'aide de la figure 1.2.13, qui montre la combustion se produisant avec deux pulvérisations de carburant diesel, l'une avec EGR et l'autre sans EGR. Premièrement, on suppose que la combustion a lieu dans des régions où le rapport air-carburant est dans des proportions stœchiométriques, comme le montre le schéma de gauche de la figure 1.2.13. En utilisant l'EGR, une partie de l'O2 est remplacée par du CO2 et la concentration en O2 locale dans le cylindre devient plus faible. Avec la concentration en O2 locale réduite, une quantité donnée du carburant devra diffuser sur une zone plus large avant qu'une quantité suffisante de l'oxygène O2 soit rencontrée pour qu'un mélange stœchiométrique soit formé (diagramme de droite de la figure 1.2.13). Or, pour une quantité donnée de carburant, cette plus grande région de mélange stœchiométrique contient non seulement le mélange stœchiométrique mais également une quantité supplémentaire de CO2, H2O et N2. La quantité supplémentaire de ces gaz absorbe l'énergie libérée par la combustion, ce qui conduit à une température de flamme plus faible et à une génération des NOx plus faible [56].

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1.2.6.3. Introduction des produits de combustion dans la charge d'entrée (effet chimique)

La figure 1.2.12 montre que l'EGR contient du dioxyde de carbone (CO2) et de la vapeur d'eau (H2O), produits à partir de la combustion du carburant. Avec l'EGR, 1,24% de la charge d'admission du moteur est du dioxyde de carbone et 0,5% de la vapeur d'eau. Ces deux espèces peuvent se dissocier aux températures élevées régnant lors de la combustion, et les produits de dissociation, potentiellement, pourraient participer au processus de combustion [56]. Par exemple, de l'oxygène atomique et des radicaux hydroxyles pourraient être produits, qui pourraient tous deux participer à la formation des NOx via le mécanisme de Zeldovich et à l'oxydation de la suie et de ses précurseurs. Cet effet potentiel s'appellera l'effet chimique de l'EGR [56].

1.2.6.4. Augmentation de la capacité de chaleur de la charge d'entrée (effet thermique)

La figure 1.2.12 montre qu'avec l'EGR, la capacité calorifique spécifique moyenne de la charge d'admission du moteur aura tendance à être légèrement supérieure (d'environ 1%) à celle de l'air. Cette faible augmentation de la capacité calorifique spécifique moyenne est due au fait que le dioxyde de carbone et la vapeur d'eau ont des valeurs de capacité calorifique spécifique plus

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élevées que l'azote et l'oxygène. Cette augmentation de la capacité thermique spécifique moyenne de la charge d'entrée sera appelée l'effet thermique de l'EGR [56]. Au fil des ans, il a été suggéré à plusieurs reprises que l'EGR diminue les émissions des NOx, principalement en augmentant la capacité calorifique spécifique de la charge d'admission du moteur [88]. Cependant, cela a été contredit par Wilson et al [89] qui ont classé ce facteur comme secondaire par rapport à la réduction de la concentration en oxygène de la charge d'entrée.

1.2.6.5. Augmentation de la température de la charge d'entrée

Enfin, lorsque l'EGR chaud est mélangé à de l'air d'admission plus froid, la température de la charge d'entrée fournie au moteur augmente. Indépendamment de la réduction du rendement volumétrique que cela entraîne (étranglement thermique), la température de charge d'entrée plus élevée augmente également la température du gaz du cylindre à la fin de la course de compression et pendant le processus de combustion. Cette élévation générale de la température de charge comprimée sera appelée effet de la température d'entrée de l'EGR. Au fil des années, plusieurs chercheurs [88] ont observé des réductions des émissions des NOx lorsque l'EGR était refroidi avant d'être mélangé à l'air d'admission, bien que cette technique se soit avérée moins efficace à des niveaux élevés d'EGR.

La contribution combinée et individuelle de la dilution, des effets chimiques et thermiques du CO2 et de l'H2O sur les émissions de NOx et des particules des moteurs diesel est illustrée à la figure 1.2.14. Il ressort clairement de la figure 1.2.14 que l'influence de l'effet de dilution est le principal facteur responsable de la modification des caractéristiques d'émission des NOx et des particules [84,57].

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