Etude expérimentale et modélisation phénoménologique de l'influence des caractéristiques thermodynamiques et de la composition des gaz d'admission sur la combustion et les émissions d'un moteur diesel automobile

Experimental study and phenomenological modelisation of the influence of inlet gas thermodynamic properties and composition on combustion and polluant emissions of an automotive Diesel engine

• Auteur / Autrice : Alain Maiboom
• Direction : Jean-François Hetet, Xavier Tauzia
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Sciences de l'ingénieur
• Date : Soutenance en 2007
• Etablissement(s) : Nantes
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale mécanique, thermique et génie civil (Nantes)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire de recherche en hydrodynamique, énergétique et environnement atmosphérique (Nantes)
• Partenaire(s) de recherche : autre partenaire : Université de Nantes. Faculté des sciences et des techniques

Mots clés

Mots clés contrôlés

Moteurs diesel -- Gaz d'échappement

Résumé

La réduction à la source des émissions polluantes (principalement NOx et particules) est un objectif primordial lors de la conception et de l’optimisation des moteurs Diesel de propulsion automobile. Dans ce cadre, le travail présenté dans ce mémoire vise à mieux comprendre l’influence des caractéristiques thermodynamiques et de la composition des gaz d’admission (via la recirculation de gaz d’échappement) sur la combustion et les émissions d’un moteur Diesel. L’étude bibliographique fournit une synthèse des principales connaissances à ce jour sur le déroulement de la combustion Diesel à injection directe et sur la formation des émissions polluantes, et permet d’identifier des modèles de jet et de combustion. Une étude expérimentale locale menée sur un moteur Diesel mono cylindre à accès optique apporte certaines informations nouvelles sur le déroulement de la combustion à faible charge, en milieu dilué et non dilué, pour des combustions avec et sans pré injection, et permet de tester et d’adapter certains des modèles relatifs à la description du jet de carburant. Ces derniers sont alors utilisés pour développer un modèle de combustion phénoménologique multi zones original, basé sur la description de Dec et al. , permettant notamment d’évaluer les évolutions des températures de flamme et de cœur de jet, de la longueur d’accroche de flamme et la richesse correspondante. Une large campagne expérimentale est ensuite menée sur un moteur 2 litres de série modifié, avec deux configurations de recirculation de gaz d’échappement (EGR) : haute pression (HP) et basse pression (BP), et dont les résultats sont analysés pour partie à l’aide du modèle de combustion. Les caractéristiques thermodynamiques et la composition des gaz d’admission sont modifiées de façon séparée afin d'isoler l'influence de ces différents paramètres sur les émissions et le déroulement de la combustion (dégagement de chaleur instantané), en particulier lors de l’utilisation de forts taux de recirculation de gaz d’échappement ; différents points de fonctionnement sont étudiés. Les évolutions des émissions de NOx et de particules sont le résultat de processus complexes et de phénomènes antagonistes ; dans la plupart des cas, des explications sont proposées. Finalement, des régimes de combustion à très faibles émissions de NOx et de particules sont décrits et analysés, et des voies de réduction des émissions de NOx en maintenant constant le niveau d’émissions de particules et la consommation spécifique sont proposées, en particulier à l’aide de la boucle EGR BP.

In-cylinder pollutant emissions reduction (NOx and particulate matter (PM) principally) is a major challenge during automotive Diesel engine design. The objective of this work is to characterize inlet gas thermodynamic properties and composition (exhaust gas recirculation) on combustion and pollutant emissions of a Diesel engine. The bibliographic survey gives principal phenomena occurring during direct injection Diesel combustion and pollutant formation, and identifies some models for fuel jet description and combustion. A local experimental study on an optically accessible one cylinder Diesel engine gives some new informations on combustion at low load conditions, for non diluted and diluted conditions, with and without pilot injection, and allow to test and adapt some fuel jet models. These latter are utilized to develop an original multi zone phenomenological combustion model, based on Dec’s description, allowing the evaluation of core spray and flame temperature, as well as lift-off length and corresponding fuel/air ratio. A wide range experimental study is then undertaken on a 2 litre standard Diesel engine, with two exhaust gas recirculation (EGR) loops: a high pressure (HP) one and a low pressure one (LP). The results are analysed with the combustion model. Inlet gas thermodynamic properties and composition are modified separately to isolate the influence of these parameters on combustion (rate of heat release), in particular when utilizing high EGR rates. Various operating points are studied. NOx and PM emissions are the result of complex and sometimes opposite phenomena; explanations are proposed in most cases. Finally, low-NOx / low-PM emissions combustion regimes are described and analysed, and in-cylinder strategies for reducing NOx emissions while maintaining specific fuel consumption and PM emission level are proposed, in particular owing to LP EGR loop.