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1 - SYSTÈMES D’INJECTION

2 - DOSAGE DU COMBUSTIBLE

  • 2.1 - Masse d’air
  • 2.2 - Masse de combustible
  • 2.3 - Phasage

3 - FONCTION PULVÉRISATION

4 - MODÉLISATION DE LA FORMATION DU MÉLANGE

  • 4.1 - Pulvérisation
  • 4.2 - Corrélations expérimentales
  • 4.3 - Transport et évaporation des gouttes
  • 4.4 - Pulvérisation secondaire
  • 4.5 - Écoulement des films pariétaux

5 - INJECTION DE COMBUSTIBLES GAZEUX OU GAZ LIQUÉFIÉS

6 - MÉTHODES D’OBSERVATION ET MESURE

7 - CONCLUSION ET PERSPECTIVES

| Réf : BM2550 v1

Fonction pulvérisation
Injection d’essence dans les moteurs d’automobile

Auteur(s) : Luis LE MOYNE

Date de publication : 10 juil. 2003

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Auteur(s)

  • Luis LE MOYNE : Ingénieur de l’École nationale supérieure d’arts et métiers (ENSAM) - Docteur en mécanique - Maître de conférences, université Pierre-et-Marie-Curie, Paris-6

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INTRODUCTION

Dans les moteurs à combustion interne, le premier facteur de performance, une fois le cycle de fonctionnement donné, est constitué par la qualité de la réaction de combustion. Cette réaction n’a lieu qu’en phase gazeuse et dans certaines limites de concentration des réactifs. Le respect de ces conditions, phase vapeur et concentration, a pour premier effet d’optimiser le dégagement de chaleur dans la chambre de combustion et de limiter la formation de produits polluants.

Compte tenu de la brièveté de la réaction de combustion dans les moteurs alternatifs (quelques millisecondes), ainsi que des niveaux de température atteints (2 000 K) dans la zone de réaction, il n’est pas envisagé de contrôler directement son déroulement mais de réaliser des conditions initiales telles que les caractéristiques de la réaction (vitesse, température, produits) soient maîtrisées. La formation du mélange, qui assure les conditions initiales de la réaction, conditionne ainsi la qualité de la combustion et l’évacuation des gaz, en particulier des gaz brûlés. Le mélange est constitué de combustible et d’air qui sont idéalement à l’état gazeux, dans des proportions qui peuvent être stœchiométriques ou pas selon le type de moteur. Ils sont animés de mouvements favorisant le contact moléculaire oxygène/combustible. Différents organes du moteur participent à la formation du mélange : les conduits d’admission, les soupapes ou lumières, le piston et la culasse qui par leur forme définissent la géométrie de la chambre de combustion, et enfin le dispositif d’injection.

L’injection de combustible dans les moteurs a donc pour objectif premier cette double fonction de mise en état du combustible et de dosage. Mais pour que le dosage prévu par le concepteur soit celui effectivement réalisé au moment et à l’endroit de la réaction, l’alimentation en réactifs et l’évacuation des produits de la réaction doivent être assurés et le système d’injection peut y contribuer en générant des mouvements de brassage dont l’échelle caractéristique peut être très diverse.

Selon le type de moteur, de combustible et les conditions de fonctionnement, l’importance relative et l’aspect critique de ces fonctions peuvent varier. Ainsi, par exemple, pour le moteur à essence classique, où le mélange réactif se présente sous forme stœchiométrique et homogène, la fonction dosage n’est devenue critique qu’à partir de l’intégration des pots catalytiques à l’échappement. Sans ce dispositif de dépollution, les concentrations en air et en combustible peuvent varier dans une gamme plus étendue sans que le fonctionnement du moteur en pâtisse.

Dans le moteur à essence en particulier, le mélange précède la combustion dans le cycle de fonctionnement. Il peut être réalisé pendant la phase d’admission ou pendant la phase de compression, l’essentiel étant que le mélange soit formé au moment où l’allumage est déclenché par l’étincelle de la bougie. Aussi, le combustible peut être introduit à l’extérieur de la chambre de combustion (injection indirecte) ou directement dans la chambre de combustion (injection directe).

L’aspect temporel de la formation du mélange est évidemment moins critique lorsque le combustible est gazeux. Dans ce cas, la seule fonction du système d’injection est de doser le combustible. En revanche, dans le cas de combustibles liquides, la première fonction du système d’injection est d’amener le combustible à l’état gazeux. La façon d’évaporer le combustible la plus efficace est de le pulvériser (ou atomiser). On crée ainsi une phase intermédiaire appelée liquide dispersé, constituée d’un grand nombre de gouttes de faible diamètre, pour laquelle la surface d’échange globale est très importante.

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VERSIONS

Il existe d'autres versions de cet article :

DOI (Digital Object Identifier)

https://doi.org/10.51257/a-v1-bm2550


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3. Fonction pulvérisation

3.1 Mécanismes de pulvérisation et de vaporisation

La pulvérisation d’un liquide est obtenue par le passage de ce dernier dans un orifice de dimensions réduites avant l’introduction dans une grande enceinte. La vitesse de passage du liquide à travers l’orifice est en général très élevée par rapport à celle de la phase gazeuse dans l’enceinte. Selon la différence de vitesse liquide/gaz croissante, différents régimes de pulvérisation peuvent apparaître (figure 14).

  • Rayleigh : la rupture du filet liquide résulte de la croissance rapide de perturbations de surface, où la tension de surface joue un rôle important. Certaines longueurs d’onde ont des facteurs d’amplification plus importants que d’autres et lorsque l’amplitude de la perturbation est de l’ordre du diamètre de l’orifice, il y a cassure du liquide. Les gouttes obtenues par ce régime ont un diamètre supérieur à celui de l’orifice d’injection.

  • Aérodynamique primaire (first wind induced ) : la rupture du liquide résulte, comme dans le cas précédent, de la croissance d’ondes de surface où intervient la tension superficielle, mais pour lesquelles les contraintes induites à l’interface liquide/gaz pilotent l’amplification. Le diamètre des gouttes obtenues est de l’ordre de celui de l’orifice d’injection. Un des cas typiques du régime de rupture par ondes superficielles pour lequel il y a une solution analytique dans l’approximation linéaire est l’instabilité de Kelvin-Helmoltz 4.1.2.1 : modèle d’un cylindre liquide avançant dans un gaz non visqueux au repos. Dans ce cas, le diamètre des gouttes d g est proche de 2 fois le diamètre de l’orifice d’injection d.

  • Aérodynamique secondaire (second...

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BIBLIOGRAPHIE

  • (1) -   *  -  Ingénieurs de l’Automobile, no 713, SIA (1997).

  • (2) - STAN (C.) -   Direct injection systems.  -  SAE Intl., Springer-Verlag (1999).

  • (3) -   Évolutions du moteur à allumage commandé et de ses organes associés.  -  R-98-01, SIA (1998).

  • (4) - COUSIN (J.), CAMATTE (P.), JEANDEL (X.), DUMOUCHEL (C.), LEDOUX (M.) -   Instabilités interfaciales : étude et modélisation de la pulvérisation.  -  La Houille Blanche, no 1‐2, p. 77-85 (1996).

  • (5) - ZHAO (F.Q.), LAI (M.C.), HARRINGTON (D.) -   The spray characteristics of automotive port fuel injection - A critical review.  -  SAE 950506 (1995).

  • (6) - HIROYASU (H.), KADOTA (T.) -   Fuel droplet distribution in diesel combustion chamber.  -  SAE 740715, SAE Trans., 83 (1974).

  • ...

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