1.1- Formation du Jet

Comme déjà souligné, la formation du mélange interne est essentiellement affectée par l’injection du carburant. Le mouvement de l’air admis peut aussi améliorer la combustion et le rendement thermique final. Il dépend de la forme de la chambre de combustion et du répartiteur d’admission. Dans cette partie, on étudie les principaux paramètres affectant la formation du mélange carburant-air:

- Swirl :

Le swirl est le nom du mouvement rotatif de l’air autour de l’axe du cylindre [5]. Il est essentiellement généré par la géométrie du répartiteur d’admission qui donne une forme tangentielle au débit d’air introduit dans le cylindre (cf. Figure 3). L’action des soupapes, la géométrie et la vitesse du piston possèdent des effets additifs sur l’aérodynamique de l’air admis [6].

Figure 3 : Une conception Swirl dans un collecteur d’admission de forme hélicoïdale [6]

La fonction principale du swirl est d’améliorer le mélange air-carburant par la déformation du spray injecté donnant par conséquent plus d’homogénéité au mélange crée.

Le besoin en swirl diminue avec l’augmentation du nombre de trous de l’injecteur de carburant. Cette diminution est favorable en termes de pertes aux parois et également de pertes de charges que peut produire le niveau élevé du swirl. Les conduits hélicoïdaux, comme les montre la Figure 3, peuvent également assurer un bon compromis entre le niveau nécessaire du swirl et un rendement volumétrique acceptable.

Pour les faibles régimes, un système de double plenum d’admission avec une vanne IPSO (intake port shut-off) peut être utilisé pour régler le taux de swirl.

- Squish [5] [6]:

A la fin de la phase de compression autour du PMH, le volume de l’air introduit subit une réduction brusque jusqu’à des valeurs minimales. Ceci provoque un mouvement radial du gaz existant de l’extérieur du bol du piston vers l’intérieur, nommé squish. Le débit du squish ralentit la propagation du jet de carburant permettant l’échange d’inertie entre l’air et le carburant injecté, ce qui améliore la formation du mélange. Ensuite, ce mouvement de squish est inversé au cours de la détente provoquant une forte turbulence au cœur du mélange.

Ce phénomène est essentiellement affecté par la géométrie du bol du piston.

- Injection du carburant [4] [5] :

Deux éléments principaux caractérisent le système d’injection adopté : la pression d’injection et la stratégie d’injection (Temps d’injection, Quantité injectée, Temps entre deux injections (« Dwell »), multi-injection…).

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La pression d’injection détermine l’énergie cinétique du spray de carburant qui joue le rôle dominant dans la formation du mélange de combustion. Elle gère aussi le débit massique du carburant suivant la formule standard suivante:

7J" .= U w2k" .∆L#$P ^(1.1)

Avec :

7J_{" .}: Le débit massique du carburant injecté

U: Coefficient de décharge du trou de l'injecteur : La surface des trous de l'injecteur

k" .: densité du carburant

∆L#$P: différence de pression au nez de l'injecteur

La différence de pression ∆L est à peu près égale à la pression d’injection L#$P. Cette pression varie

proportionnellement au carré du régime de rotation B afin d’avoir le même angle vilebrequin durant

lequel se fait l’injection :

L_#$P ∞ B{ (1.2)

Ceci nécessite des pressions d’injection très élevées dans les cas de très hauts régimes. Dans quelques moteurs récents, la surface des trous de l’injecteur peut être aussi réglée pour pouvoir atteindre des débits assez élevés.

De même, la pression ou la vitesse d’injection doivent être suffisants pour acheminer le carburant vers toutes les régions de la chambre de combustion, surtout pour les gros moteurs où les chambres de combustion sont plus grandes. En plus, la faible turbulence dans de tels moteurs ralentit l’évaporation, la formation et la combustion du mélange air-carburant, d’où la nécessité d’une grande vitesse d’injection pour obtenir un rendement thermique maximal.

Après l’injection, le spray de carburant subit une série de processus avant la combustion proprement dite. La Figure 4, d’après Baumgarten et al. [13], schématise un spray Diesel haute pression (>200 MPa) de forme conique, et recense les différentes étapes qui sont décrites succinctement ci-après : le jet du carburant est atomisé (break-up) directement après son injection en deux étapes : l’une appelée break up primaire qui est le break-up du carburant liquide et qui aboutit à la formation de grands ligaments et de gouttelettes près du trou d’injecteur, l’autre est le break up secondaire des gouttelettes existantes en plus petits fragments à cause des forces aérodynamiques que produit la vitesse interne relative entre les gouttelettes du carburant et les gaz qui les entourent .

28 - Atomisation du carburant :

L’atomisation consiste à décomposer le spray de carburant liquide en fragments et en gouttelettes beaucoup plus petites. Ce phénomène permet évidemment d’accélérer l’évaporation et la formation du mélange air-carburanten augmentatnt la surface d’interaction entre le carburant injecté et l’air comprimé environnant. Deux mécanismes consécutifs sont responsables de ce processus très important : le break up primaire et le break up secondaire [6].

- Break up primaire [6] [13] :

Le break up primaire du spray compact du carburant est essentiellement influencé par : le profil des vitesses à l’intérieur du spray pour les différents segments qui le composent, la tension superficielle due à l’interaction entre le carburant liquide et les gaz comprimés, l’échange d’inertie entre le spray et l’air comprimé qui engendre des forces aérodynamiques, la turbulence et la cavitation. La cavitation résulte du mouvement turbulent du carburant dans le nez de l’injecteur, en produisant des bulles internes qui influencent le break up, la propagation du spray et l’atomisation finale.

Les forces aérodynamiques aboutissent à la désintégration du liquide injecté et à la formation de gouttelettes plus petites, tandis que la tension superficielle tend à conserver les gouttelettes sphériques et à s’opposer aux forces de déformation. Le nombre de Weber

bZ indique le ratio entre ces deux forces :

bZ = k_l. h_#$P{ . . i2} (1.3) Avec :

kl: la densité du carburant

h#$P: la vitesse du spray au nez du trou de l’injecteur : diamètre du trou de l’injecteur

i: la tension superficielle

- Break up secondaire :

Cette atomisation secondaire est responsable de la formation des microgouttelettes de carburant qui accélèrent, à leur tour, les phénomènes d’évaporation et d’auto-inflammation. Ce processus est essentiellement influencé par les forces aérodynamiques. D’autres paramètres comme la pression d’injection, l’angle du spray et la densité d’air jouent aussi un rôle significatif dans le break up secondaire.

D’après Sauter, le diamètre moyen des gouttelettes finales peut être estimé en fonction du gradient de pression au nez de l’injecteur, de la densité et de la viscosité de l’air et du

carburant. D’après les travaux de Hiroyasu et al. [14], ce diamètre moyen de Sauter [G

est estimé par la formule suivante :

[G = 0,38. . YZ•,{‚bZ2•,ƒ{„_{j …}^{j •,ƒ†}„_{k …}^{k 2•,‡† (1.4)}

Avec :

YZ: nombre de Reynolds donné par: YZ =^ˆ‰Š‹Œ.9.•_Ž••‘’ “_Ž••‘

k , j : la densité et la viscosité dynamique du liquide k , j : la densité et la viscosité dynamique du gaz

Il faut noter que cette variable ne désigne pas la taille des gouttelettes, c.à.d. deux sprays de même SMD peuvent avoir des tailles de gouttelettes totalement différentes. Ce diamètre caractérise la surface d’interaction dans une unité de volume. Plus de surface améliore effectivement l’évaporation et la formation du mélange air-carburant.

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Ce processus résulte de l’atomisation du spray liquide et des températures élevées de l’air comprimé. Pour obtenir une température d’air suffisante, le rapport de compression doit être au minimum autour de 12 :1 [5].

Une atomisation plus fine ainsi qu’une vitesse de propagation plus grande du spray accélèrent tous les deux le transfert de chaleur de l’air comprimé vers les gouttelettes de carburant puis leur évaporation.