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Jean-Louis FROMENT : Ingénieur-conseil - Consultant - Professeur associé à l’École nationale supérieure du pétrole et des moteurs (ENSPM)
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Lire l’articleINTRODUCTION
Le moteur Diesel est reconnu pour présenter l’un des meilleurs rendements énergétiques avec une remarquable flexibilité d’utilisation. Ses performances, qu’il s’agisse de sa puissance, de son rendement ou de ses émissions de polluants, sont particulièrement sensibles à la qualité de la combustion. Celle-ci est essentiellement liée au choix du système de combustion, à la forme de la chambre ou préchambre de combustion ainsi qu’à la façon dont le combustible y est introduit.
Diverses solutions ont été utilisées avec plus ou moins de réussite. Les choix techniques ont, dans le passé, été principalement dictés par le souci de réaliser la combustion le plus simplement possible en utilisant des moyens d’injection peu sophistiqués pour des raisons économiques.
Depuis quelques années, le besoin de solutions performantes et dépolluées force l’orientation vers des solutions techniques plus évoluées. Les objectifs peuvent être atteints par la combinaison de l’injection et de la chambre de combustion qui permet de maîtriser avec précision le mélange du combustible à l’air contenu dans la chambre de combustion.
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1. Contrôle de la combustion
1.1 Cycle thermodynamique
Comme dans tout moteur à combustion interne, l’évolution de la pression en fonction du temps, donc du volume du cylindre, dépend principalement de la cinétique de combustion et, accessoirement des pertes de chaleur par les parois du cylindre. Cette énergie de combustion, souvent appelée loi de dégagement de chaleur par les motoristes, qui résulte de l’oxydation du combustible par l’oxygène enfermé dans le cylindre, est donc particulièrement sensible aux caractéristiques du combustible, à sa diffusion dans la charge d’air ainsi qu’à la teneur en oxygène de l’air.
Quatre types de diagrammes représentent bien les cycles :
-
température moyenne du contenu du cylindre en fonction de l’entropie (diagramme d’Eichelberg) qui met en évidence la chaleur mise en jeu (l’aire du diagramme représente la chaleur reçue ou cédée par unité de masse) ;
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pression en fonction du volume du cylindre (diagramme de Clapeyron) qui met en évidence les efforts et travaux reçus par le piston (l’aire du diagramme traduit le travail pneumatique appliqué au piston) ;
-
logarithme de la pression en fonction du logarithme du volume du cylindre qui met en évidence les phases consécutives du cycle (les isochores, isobares, isothermes et isentropiques y sont des droites) ;
-
pression, quantité de combustible brûlée, ou taux de combustion en fonction du temps qui met en évidence les gradients de pression ainsi que la phase de la combustion par rapport à l’introduction de combustible.
La combustion est généralement assimilée à une phase ou à l’enchaînement de phases de :
-
combustion à volume constant qui, si l’on fait abstraction des contraintes thermiques ou mécaniques, offre, pour un même volume de fin de compression, le meilleur rendement. Dans ce cas, la pression et la température en fin de combustion sont particulièrement élevées ;
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combustion à pression constante qui, si l’on fait abstraction des contraintes thermiques, offre, pour une même pression maximale de combustion, le meilleur rendement. Pour que le rendement soit bon, il est nécessaire de choisir un rapport volumétrique de compression important ;
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combustion à température constante qui, si l’on fait abstraction des contraintes mécaniques, offre, pour une même température...
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