MOTEURS THERMIQUES

Chapitre III : Moteurs Diesel

1. Introduction

Dans un moteur diesel, le processus complexe du déroulement de la combustion est lié aux caractéristiques principales suivantes :

· combustible utilisé,
· pression d'injection, qualité de la pulvérisation (modèle d'injecteur),
· point d'injection et taux d'introduction,
· pression de compression dans le cylindre moteur (lié au rapport volumétrique),
· température de l'air et quantité d'oxygène au moment de l'injection,
· type de chambre de combustion (injection directe, préchambre, chambre de turbulence, ...) et homogénéité du mélange,
· vitesse de rotation et température du moteur.

2. Combustibles utilisés

2.1. Généralités

Les combustibles qu'il est possible d'injecter dans les cylindres des moteurs diesel sont en général :

- le gazole et le fioul (fuel) léger (applications routières ou agricoles),
- les fiouls lourds, les huiles de goudron (qui proviennent des goudrons de lignite et de charbon bitumeux) uniquement utilisées pour les gros moteurs fixes, marine ou industrie,
- biocarburants (à base d'huiles végétales diverses, colza, palme, ...).

2.2. Caractéristiques de gazole

Le gazole est un des produits de la distillation ou du cracking des pétroles bruts. Son emploi est obligatoire dans les moteurs diesel routiers. Il représente un mélange complexe de nombreux hydrocarbures.
Les indications qui suivent précisent les caractéristiques usuelles du gazole. En outre, elles soulignent leur importance en ce qui concerne l'utilisation de ce carburant dans les moteurs diesel.

· Masse volumique : Elle est variable suivant l'origine du pétrole brut et le mode de traitement subi (en moyenne, de 0.850 Kg/dm3 à 15ºC) et elle diminue de 0.0007 pour chaque degré d'élévation de température.
· Pouvoir calorifique : Il est légèrement inférieur à celui de l'essence; sa valeur moyenne est de 10 800 Cal/Kg.
· Volatilité : Pratiquement, la distillation du gazole commence vers 200ºC et se termine aux environs de 370ºC.
Les spécifications légales indiquent :
o limite inférieure à 250ºC (point d'ébullition initiale),
o limite supérieure 350ºC (point de fin distillation).

· Viscosité : environ 9.5 mm2/s à 20ºC.
· Indice ou nombre de cétane (C16H34) : (Aptitude à l'inflammation)
On appelle "indice de cétane" du combustible à étudier, le pourcentage de cétane contenu dans un mélange qui produit le même délai d'allumage que le combustible essayé.
Les combustibles commerciaux pour moteurs diesel ont un nombre de cétane compris entre 45 et 55 (pour le gazole moteur, l'indice doit être au moins égal à 48).

3. Processus de combustion

Dans un moteur diesel, le mélange air-combustible n'est jamais homogène car le combustible n'est injecté que vers la fin du temps de compression.
Le combustible ne peut pas s'enflammer dès que commence son introduction dans le cylindre puisqu'il doit, au préalable, emprunter à l'air comprimé dans la chambre et aux parois la chaleur qui lui est nécessaire pour atteindre sa température d'auto-inflammation.
Théoriquement il faut 20 à 22 g d'air pour brûler 1 g de gazole; en pratique, on utilise 25 à 30 g d'air, en moyenne, pour brûler 1 g de gazole.

Un excès d'air est toujours nécessaire car il permet :
- de mieux brasser l'air et le combustible,
- d'enflammer les gouttelettes non mélangées à l'air au moment de l'injection.

3.1. Compression de l'air

Le volume d'air présent dans le cylindre après le temps "aspiration" (avec un début de mouvement "tourbillonnant" selon la forme du conduit d'admission ou la présence d'un déflecteur sur la soupape d'admission) est comprimé par la montée du piston vers le PMH. Cette compression engendre une montée rapide en température, qui doit atteindre au minimum 500ºC pour assurer l'inflammation spontanée du mélange au moment d'injection

3.2. Analyse de la combustion

A partir du début de l'injection, quatre phases successives se déroulent :

• Le délai d'inflammation (Points A-B, fig.12.1.)
  C'est la phase (très courte) préparatoire à la combustion, qui sépare le début de l'injection du début de l'inflammation du combustible. Ce délai, lié à la nature du combustible (indice de cétane) et à certains phénomènes physiques et chimiques se décompose en :
  
  - Délai physique : c'est le temps pendant lequel les fines gouttelettes de gazole s'échauffent au contact de l'air jusqu'à leur "vaporisation" (variable selon la température de l'air, la vitesse, la dimension des gouttelettes et la viscosité de combustible, ...).

- Délai chimique : Pendant le temps qui procède l'inflammation, se réalise "oxydation" du combustible. La durée est comprise entre 0.001 et 0.002 seconde, une montée constante de la pression de compression a lieu pendant cette phase, proportionnelle à l'angle de rotation du vilebrequin (10 à 20º).

A-B Délai d'inflammation B-C Combustion rapide (phase incontrôlée) C-D Combustion principale (phase contrôlée) D-E Post combustion ou phase par diffusion A     Début d'injection D     Fin d'injection ------ Courbe sans injection

    Fig.12.1. Chronologie de la combustion

• Propagation de la flamme (points B-C, fig.12.1.)
  Le mélange carburant c'est formé, et le processus d'inflammation s'amorce en une multitude de points, à une vitesse extrêmement grande (présence d'un excès important d'oxygène et d'une masse de combustible pulvérisé durant le délai d'inflammation).
  La vitesse de combustion (1000 à 1200 m/s) définit la montée en pression dans le cylindre et le bruit résultant de cette phase (combustion rapide ou phase incontrôlée).

• Combustion principale (points C-D, fig.12.1.)
  L'injection se poursuit, le combustible continue à brûler progressivement, la vitesse de combustion diminue, tandis que la pression et la température continuent à s'élever. C'est la phase de combustion "contrôlée" (en fonction du volume de combustible injecté par degré de rotation du vilebrequin).
  C'est lors de cette phase, qu'une scission des molécules du combustible (cracking) s'effectue et donne naissance à :
  - des produits gazeux et légers qui brûlent,
  - des produits plus lourds (goudronneux) plus difficiles à brûler.

• Post combustion ou combustion diffusante (points D-E, fig.12.1.)
  La fin d'injection (fermeture de l'injecteur) se produit au point "D", mais le mélange carburant restant continu à brûler.
  Les conditions sont de plus en plus défavorables :
  - raréfaction de l'oxygène,
  - volume croissant de la chambre de combustion (pression et température en baisse rapide, descente du piston vers le PMB),
  - hydrocarbures restants difficiles à brûler.

La durée de cette dernière phase est liée aux deux précédentes (une qualité de pulvérisation médiocre ou une mauvaise combustion principale vont augmenter la post combustion). La phase de post combustion doit être la plus courte possible, toute durée supplémentaire se traduit par une augmentation de la température des gaz d'échappement et une baisse de rendement.

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