DEA Conversion de l’énergie- Luis LEMOYNE 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 [email protected]
DEA Conversion de l’énergie- Luis LEMOYNE 3
1. INTRODUCTION ... 4
1.1. GENERALITES...4
1.2. SCHEMAS GENERAUX DE FONCTIONNEMENT...5
1.3. PROCESSUS DE FORMATION DU MELANGE...8
1.4. COMP OSITION DU MELANGE...10
1.5. MOUVEMENTS DE BRASSAGE...10
2. ORGANES DE FORMATION ...13
2.1. MISE SOUS PRESSION DU COMBUSTIBLE...13
2.2. DOSAGE DU COMBUSTIBLE...17
2.3. PULVERISATION DES COMBUSTIBLES LIQUIDES...23
2.4. DOSAGE DU COMBURANT...34
2.5. CONDUITS, SOUPAPES ET CHAMBRE...34
2.6. RECIRCULATION DES GAZ BRULES...45
3. TECHNOLOGIE DE LA FORMATION DU MELANGE DANS LES MOTEURS...46
3.1. MOTEUR A ALLUMAGE COMMANDE A CHARGE HOMOGENE...46
3.2. MOTEUR A ALLUMAGE PAR COMPRESSION. ...50
3.3. MOTEUR A ALLUMAGE COMMANDE A CHARGE STRATIFIEE. ...52
3.4. TURBINE...56
4. CALCUL DES PRINCIPALES CARACTERISTIQUES ...58
4.1. DEBIT A TRAVERS UN AJUT AGE...59
4.2. DEBIT DANS LES CARBURATEURS...60
4.3. INJECTEURS...61
5. MODELES D'ECOULEMENT DE LA PHASE GAZEUSE...66
5.1. MODELES ZERO-D...66
5.2. MODELES 1-D...67
5.3. MODELES 3D TURBULENTS...68
6. MODELES DE FORMATION ET TRANSPORT DU COMBUSTIBLE LIQUIDE. ...70
6.1. MODELISAT ION DES PROCESSUS DE PULVERISATION...70
6.2. TRANSPORT ET EVAPORAT ION DES GOUTTES...77
6.3. PULVERISATION SECONDAIRE...79
6.4. ECOULEMENT DES FILMS PARIETAUX...80
7. METHODES EXPERIMENTALES EN FORMATION DU MELANGE...82
7.1. PHASE GAZEUSE...83
7.2. PHASE LIQUIDE...86
7.3. MESURES SPECIFIQUES...87
8. BIBLIOGRAPHIE...92
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 s ecteur 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
DEA Conversion de l’énergie- Luis LEMOYNE 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.
1.2. 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
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 déro ulement 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 7
Réservoir
Pompe (+ Filtre)
Régulateur de pression
Mise en forme (Pulvérisation, pré-
Vaporisation)
Introduction
Atmosphère
Filtre
Régulateur
Mise à température
Mélange
Combustion
Echappement
Recirculation Dilution
Dépollution
Admission directe
Admission Indirecte
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
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).
1.3. Processus de formation du mélange
1.3.1. 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 encein te 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
DEA Conversion de l’énergie- Luis LEMOYNE 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.
arrachement dépôt
Alimentation écoulement retour
évaporation
ruissellement injection
évaporation
Gouttes
Chambre de combustion Mélange air-
vapeur-gaz brûlés
Film Pariétal
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.
1.5. 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
DEA Conversion de l’énergie- Luis LEMOYNE 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.
Injecteur Veine d'air admission
Chambre de Combustion Soupape
Conduit d'admission
Echappement Arrivée de
carburant
Piston
DEA Conversion de l’énergie- Luis LEMOYNE 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.
2.1. 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.
2.1.1. 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 vapo- détendeurs 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.
2.1.2. 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.
2.1.3. 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.
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
Source : Doc. Technique Bosch Schéma des rouleaux :
1: Aspiration , 2: Rotor, 3: Rouleau , 4: Surface de guidage, 5: Refoulement
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
DEA Conversion de l’énergie- Luis LEMOYNE 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 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).
2.2.1. 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
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 19 Source : J.B. Heywood
2.2.2. 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.
2.2.3. 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.
2.2.4. 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
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 d u 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.
DEA Conversion de l’énergie- Luis LEMOYNE 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 celle- ci 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.
A D
DEA Conversion de l’énergie- Luis LEMOYNE 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.
2.3.1. 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.
2.3.2. 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. Celui- ci 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).
Schéma de l'injecteur Diesel Bosch Injecteur Diesel 5 trous
DEA Conversion de l’énergie- Luis LEMOYNE 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.
Schéma de l'injecteur Diesel Bosch Injecteur Diesel à téton
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 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 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.
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 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.
Source : Doc SAE
2.3.3. 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 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
Diamètre moyen de Surface :
d
20= ∫ d f d
2( )δ d
Diamètre moyen de Volume:
d
30=
3∫ d f d
3( )δ d
Diamètre moyen de Sauter DMS :
d d
32
d
30 3
20
=
2Ces 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.
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.
2.4. 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.
2.5. 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.
2.5.1. 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.
DEA Conversion de l’énergie- Luis LEMOYNE 35 Source : J.B. Heywood
Soupapes d'admission pour génération du Swirl :
Source : J.B. Heywood
2.5.2. 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.
DEA Conversion de l’énergie- Luis LEMOYNE 37 2.5.3. 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 :
Source : J.B. Heywood
Chambres de moteur à allumage commandé :
DEA Conversion de l’énergie- Luis LEMOYNE 39
DEA Conversion de l’énergie- Luis LEMOYNE 41
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.
DEA Conversion de l’énergie- Luis LEMOYNE 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 45 Source : A. Kalnin
2.6. Recirculation des gaz brûlés
2.6.1. 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
de l'écoulement retour contribuent à sa vaporisation et à sa pulvérisation. Mais le combustible est alors entraîné loin de la chambre de combustion et le problème du transport par les gaz frais se posera lorsque les pressions chambre et admission seront équilibrées.
2.6.2. E.G.R.
La recirculation des gaz brûlés est la principale technique utilisée dans les moteurs à allumage commandé pour contrôler les émissions de NOx. Une fraction des gaz d'échappement est recyclée via une vanne de contrôle dans le conduit d'admission du moteur. En général les gaz d'échappement se mélangent aux gaz frais après le papillon des gaz. Les gaz brûlés agissent comme un diluant du mélange frais et réduisent la température maximale atteinte pendant le cycle et la formation de NO.
Source : Doc technique Bosch
3. Technologie de la formation du mélange dans les moteurs
Dans cette partie on examine plusieurs moteurs dont le mode de fonctionnement conditionne l'adoption de solutions énumérées dans la section précédente.
3.1. Moteur à allumage commandé à charge homogène.
Dans ce type de moteur (moteur à essence classique), le mélange est formé à l'extérieur de la chambre. L'admission est indirecte, on cherche à avoir un mélange le plus homogène possible avec des mouvements de circulation turbulents qui favorisent la comb ustion en complétant le mélange, et facilitant la propagation de la flamme. Pour cela, la solution la plus efficace est d'effectuer un mouvement tournant dans l'axe perpendiculaire au piston (tumble ou squish) en inclinant les parois de la chambre. L'énergie de ce mouvement sera transformée lors de la
DEA Conversion de l’énergie- Luis LEMOYNE 47 de richesse doit être la plus efficace possible. Cela impose la régulation du débit d'air (papillon des gaz) et de carburant (carburateur ou injection).
La disposition des éléments du moteur est la suivante : moteur à injection monopoint ou carburé
moteur à injection multipoint
Source : Doc technique Bosch
Fonctionnement du moteur multipoint :
La pompe d'injection est à débit continu (pompe volumétrique basse pression, entraînée ou le plus souvent électrique). Elle alimente une rampe d'injection à une pression variant de 1bar autour d'unr valeur moyenne allant de 2bar à 5bar selon les moteurs, et régulée par la pression existant dans le collecteur d'admission. On assure ainsi que le débit de l'injecteur est indépendant de la charge et du régime, et que la masse injectée n'est fonction que du temps d'ouverture des injecteurs. L'injecteur électromagnétique est constitué essentiellement d'un noyau magnétique solidaire d'une aiguille d'injection comprimée par un ressort sur le siège du corps d'injecteur. A l'arrière, le corps d'injecteur porte un enroulement conducteur qui, lorsqu'il est alimenté, exerce sur le noyau magnétique un effort antagoniste au ressort; l'aiguille est alors décollée de son siège et laisse passer le carburant sous pression par un alésage calibré. Lorsque cette alimentation est coupée, le ressort repousse l'aiguille sur son siège et l'injecteur ne débite plus. L'injection se fait dans la tubulure d'admission pendant la phase de combustion du cycle précédent à soupape fermée. C'est une injection électronique commandée par le calculateur central d'injection. Ce dernier commande les solénoïdes des injecteurs pour un dosage optimal déterminé en fonction de
DEA Conversion de l’énergie- Luis LEMOYNE 49 L'instant dans le cycle auquel s'effectue l'injection est appelé le phasage et mesuré en degrés vilebrequin par rapport à l'un des points morts du cycle. Sur les moteurs actuels l'injection est faite soupape fermée car les gouttes crées par les injecteurs basse pression sont trop grosses pour brûler convenablement. Si le temps de parcours de ces gouttes n'est pas suffisamment long, l'évaporation est insuffisante pour que la combustion totale de la goutte puisse avoir lieu dans les délais impartis à la combustion. La goutte s'entoure alors d'un nuage de gaz brûlés, le liquide à l'intérieur ne brûle pas et les émissions d'imbrûlés augmentent. On injecte donc sur les soupapes et les parois chaudes de la culasse au niveau des conduits d'admission, le plus tôt possible pendant le cycle de façon à donner le maximum de temps à l'évaporation du combustible déposé. Il ne faut pas cependant, que tout le combustible se dépose et donc, le meilleur phasage d'injection résulte d'un compromis entre la masse injectée, la durée du cycle, et la température de l'air et des parois après l'injecteur.
La photo ci-dessus montre le jet d'injecteur dans la tubulure d'admission (multipoint).
Source : Doc technique Bosch
Pour le type d'injecteur utilisé (pression d'injection 2.5 bar) le diamètre moyen de Sauter est de 150µm à 250µm, ce qui signifie que 90% de la masse injectée se retrouve sous forme de gouttes de diamètre supérieur à 100µm.
On remarque dans ce cas la grande quantité de combustible déposé sur les parois et les soupapes. La masse du film liquide sur les parois peut représenter à froid jusqu'à 200 fois la masse injectée par cycle. La réponse en transitoire (accélérations, décélérations) de ce type de moteur, bien que meilleure que ceux équipés de carburateurs ou d'injections monopoint, dépend de la dynamique du film sur les parois. Le retour à un niveau de richesse stable en cas d'accélération peut être de 10 secondes. Pendant ce temps, le s performances moteur sont mauvaises (agrément de conduite) et les émissions de polluants augmentent car le mélange n'est pas stoechiométrique et le catalyseur ne peut pas transformer convenablement les gaz d'échappement : on atteint des richesses de 0.7 en accélération et de 1.4 en décélération alors que le catalyseur fonctionne correctement à richesse 1 +/- 0.5%.
Un des défis majeurs pour ce type de moteurs est donc la régulation de richesse en transitoire par le biais du contrôle de l'injection, ou la réduction du film déposé sur les parois (amélioration de la pulvérisation, des surfaces
des parois,...). Aussi, à charge partielle, le rendement de ces moteurs se dégrade. Des tentatives pour réduire la richesse de fonctionnement à faible charge peuvent aboutir à réduire le rendement à faible charge, mais le contrôle de la combustion devient délicat car il faut brûler un mélange pauvre.
3.2. Moteur à allumage par compression.
Dans ce type de moteur (moteur Diesel) le mélange est fait dans la chambre de combustion ou dans une enceinte communicante, (moteurs à injection directe et moteurs à préchambre respectivement). Dans les deux cas on cherche à introduire le combustible de façon graduelle pour initier et maintenir la combustion, et s'approcher du cycle de fonctionnement théorique Diesel de combustion à pression constante. L'alimentation de combustible doit donc vaincre les grandes pressions existant dans la chambre pendant la combustion, particulièrement importantes sur ce type de moteur à cause de leur taux de compression élevé. Une autre contrainte importante est imposée par le temps très court imparti à la vaporisation et au mélange du combustible, ainsi que par le confinement du jet dans la chambre qui favorise le mouillage des parois. Les injecteurs et les pompes d'injection doivent donc délivrer un jet à haute pression qui se pulvérise en très fines gouttes sur une courte distance.
D'un autre coté les soupapes et les parois sont adaptées pour créer un mouvement tournant autour de l'axe du piston (swirl) qui augmente la turbulence et facilite le mélange de l'air admis et du combustible injecté.
Le rendement de ces moteurs peut être amélioré en maîtrisant la quantité de combustible injecté, ainsi que la loi d'introduction, à condition d'assurer les hautes pressions d'injection imposées pour la bonne pulvérisation.
Comme pour les moteurs à essence, la gestion électronique de ces paramètres permet au meilleur prix de réaliser le meilleur couplage aux conditions de fonctionnement et environnantes. Les systèmes de régulation de la quantité de combustible se sont développés jusqu'à un point satisfaisant avec les pompes distributrices à gestion électronique. L'avance à l'injection, paramètre important de la loi d'introduction a aussi été rendu contrôlable par ce type de pompe. Mais la loi d'introduction après début de l'injection reste fixée une fois pour toutes à la fabrication et déterminée en fonctionnement par la loi de levée d'aiguille dans l'injecteur. L'installation de capteurs de levée d'aiguille en série fournis sant au calculateur la loi d'introduction a permis de tenir compte de cette loi et gérer les autres paramètres en conséquence. Dans un futur proche, l'introduction des systèmes common-rail avec injecteurs à électrovanne permettra de maîtriser la loi d'introduction de combustible en fonctionnement par réalisation d'impulsions de levée d'aiguille de durée déterminée très faible.
Disposition des moteurs à pompe distributrice ou en ligne:
DEA Conversion de l’énergie- Luis LEMOYNE 51 Source : Doc technique Bosch
Disposition des moteurs common-rail :
Source : Doc technique Bosch
3.2.1. Moteurs à préchambre
La combustion est initiée dans la préchambre et les gaz frais sont véhiculés de la chambre vers la zone de combustion, les mouvements de brassage sont essentiels mais complexes. La combustion est douce car régulée par le transport des gaz brûlés, et plus facile à initier car la zone d'injection est riche en combustible. De plus, les mouvements gazeux facilitent le pulvérisation et la distance totale parcourue par les gouttes de la préchambre
jusqu'à la chambre est suffisante pour limiter les problèmes de mouillage. Les injecteurs utilisés ont des caractéristiques moins bonnes (donc un coût moindre) que dans le cas de l'injection directe.
3.2.2. Moteurs à injection directe
Le démarrage de la combustion peut être difficile à cause de la dilution du mélange et l'élévation de pression est plus brutale qu'avec préchambre. Il faut aussi assurer un brassage des gaz important pour ventiler la zone riche autour de l'injecteur et éviter la formation de fumées.
La zone de mélange est par contre très confinée et la pulvérisation de l'injecteur doit être particulièrement efficace pour éviter l'impact des gouttes sur les parois. Cela se traduit par la mise en jeu de pressions d'injection très importantes.
3.3. Moteur à allumage commandé à charge stratifiée.
Dans ce type de moteur le mélange est réalisé avant le déclenchement de la combustion, mais l'injection de combustible est faite dans la chambre. Il a l'avantage (du point de vue de la formation du mélange) d'éviter les dépôts de combustible sur les parois des conduits d'admission et sur les soupapes, ce qui améliore sensiblement les caractéristiques en transitoire et à froid. Aussi, il permet de travailler en mélange pauvre en créant différentes zones dans le mélange. La combustion est initiée, comme sur le Diesel, dans les zones riches et propagée vers les zones pauvres où elle ne peut être initiée. De plus, une bonne synchronisation de l'injection et de l'allumage permet d'élever le taux de compression sans générer de cliquetis, le mélange pauvre étant moins apte à l'autoinflammation, et d'obtenir ainsi un rendement meilleur que dans le mo teur à essence classique. Par contre, les contraintes d'injection imposées au moteurs Diesel se retrouvent dans les moteurs à injection directe essence, exception faite de la maîtrise de la loi d'introduction puisque le combustible doit être injecté avant la combustion.
Leur évolution a été longtemps freinée par l'instabilité de la combustion du mélange pauvre, sensible particulièrement aux conditions de charge et de régime. Leur fabrication est encore marginale mais ils posent des problèmes intéressants pour la formation du mélange. C'est l'apparition de la gestion électronique et le développement de stratégies de contrôle du dosage air-carburant qui ont permis la mise au point des premiers moteurs de série de ce type (Mitsubishi, Toyota).
Une autre difficulté inhérente au fonctionnement du moteur en allumage commandé, est que la zone riche doit se trouver à proximité de la bougie d'allumage au moment où se produit l'étincelle. Il est donc nécessaire de maîtriser parfaitement le mouvement des gaz dans la chambre à tous les régimes et charges, d'autant qu'il faut propager la combustion vers les zones pauvres. Il se pose un problème particulier pour optimiser le mélange à charge partielle et à pleine charge car la nature du mélange change. En effet la charge stratifiée est utilisée pour améliorer le
DEA Conversion de l’énergie- Luis LEMOYNE 53 conditions différentes, il faut mettre au point les stratégies de contrôle moteur pour les gérer convenablement.
Aussi, il est parfois nécessaire d'ajouter des organes de formation et contrôle du mélange supplémentaires qui enchérissent le moteur. Il faut remarquer que la motivation principale du développement de ces moteurs est le rendement à faible charge. Cela implique que les pompes d'injection haute pression utilisées ne doivent pas consommer une part trop importante de la puissance moteur, ce qui limite les pressions installables et force au développement d'injecteurs à pression moyenne performants.
Evolution du moteur essence :
Source : Doc Mitsubishi
Les configurations des moteurs essence à injection directe sont de trois types:
Moteur Mitsubishi série à tumble inverse 4 soupapes avec conduit d'admission vertical, piston semi -concave.
Pression d'injection : 50bar, injecteur à swirl.
Source : Doc Mitsubishi
Moteur VW de recherche à Swirl 2 soupapes, piston en forme de bol axisymétrique, injecteur et bougie excentrés et inclinés. Pression d'injection : 450bar.
Source : Doc SAE
Moteur Toyota série à combinaison tumble/swirl 4 soupapes avec conduits d'admission à 45°, piston en forme de bol asymétrique (injecteur à droite, bougie au centre). Pression d'injection : 120 bar, injecteur à swirl. Le mouvement de swirl dans la chambre est favorisé par un papillon installé sur un seul des conduits d'admission du cylindre (à droite l'actionneur électromécanique) qui ferme le conduit à faible charge :
DEA Conversion de l’énergie- Luis LEMOYNE 55 Source : Doc SIA
Source : Doc SIA
3.4. Turbine.
Dans ce type de moteur l'alimentation en air, ainsi que la combustion est continue. Les organes de dosage et de formation du mélange sont donc en principe plus simples à concevoir que pour les machines à flux pulsé comme les moteurs alternatifs. Cependant, un certain nombre des contraintes de l'injection vont se présenter pour ces machines selon les performances du compresseur, les dimensions et la vitesse de l'écoulement dans la chambre de combustion.
Une précaution particulière doit être prise dans les moteurs de ce type où la vitesse d'écoulement des gaz est importante. En effet, aux abords de l'injecteur, des vitesses trop grandes ne permettraient pas la stabilisation de la flamme. Aussi, l'absence de tourbillons laisserait un mélange trop riche pour une combustion correcte. L'injecteur est donc installé dans un système appelé brûleur dont le rôle est de stabiliser assez près en aval, un noyau de gaz chauds produits par la combustion et indispensables au maintient de la flamme. Ce noyau ne peut exister que s'il y a ralentissement local et turbulence. Le brûleur est constitué soit par des aubes de tourbillonnement à l'entrée de la cambre, soit par une coupole percée de nombreux trous, soit par un corps profilé comme un anneau à section en V. Le sillage qui se crée derrière ces obstacles fait apparaître des tourbillons à 4 ou 5 longueurs (dimension caractéristique de la section de passage) en aval. L'écoulement derrière l'obstacle est donc à proximité de celui-ci assez calme. L'injecteur placé dans cette zone pourra allumer un mélange riche (flamme laminaire) qui après, en s'écoulant vers l'aval sera alimenté en gaz frais par les tourbillons (flamme turbulente).
DEA Conversion de l’énergie- Luis LEMOYNE 57 Source : M. Ledoux
Une autre particularité de ces moteurs est la plage de vitesses de rotation très étendue dans laquelle ils sont appelés à fonctionner. Il en résulte que les circuits d'alimentation en combustible sont parfois dédoublés pour pouvoir s'adapter aux débits de combustible à faible et forte vitesse de rotation.
Injecteur double débit de turboréacteur:
Source : A. Kalnin
1 : toile filtrante, 2 : tube de protection, 3 : tube de filtre, 4 : embout d'injection, 5 : joint, 6 : corps d'injecteur, 7 : pastille d'injection, 8 : embout d'injection, 9 : douille de tourbillonnement.
Dans le cas où le moteur dispose d'une turbine, les gaz brûlés issus de la chambre sont en général trop chauds pour être en contact avec les aubes de la turbine. Il est donc nécessaire de refroidir ces gaz. Cela est réalisé en les mélangeant à une veine d'air secondaire directement issue du compresseur dans un dilueur. Il en découle une perte de puissance mais une durée de vie prolongée du moteur. Ainsi, bien que la combustion soit faite en mélange pratiquement stoechiométrique, le mélange en sortie de mo teur est très pauvre. Remarquons que cette fonction est l'analogue sur les moteurs alternatifs de la recirculation des gaz brûlés, bien que le but recherché par le refroidissement des gaz brûlés ne soit pas le même. Dans les deux cas, l'air froid est mélangé aux produits de la combustion pour en abaisser la température, dans les turbines pour des raisons de tenue mécanique, dans les moteurs alternatifs pour des raisons de formation de polluants.
