Comment le cadre théorique influence-t-il les moteurs Diesel?

L’étude révèle que le cadre théorique des moteurs Diesel est essentiel pour comprendre l’impact de la qualité du combustible sur les performances des moteurs W20V32. Ces résultats mettent en lumière des solutions innovantes pour optimiser l’efficacité énergétique tout en préservant l’environnement.

REVUE DE LA LITTÉRATURE

Généralités sur le moteur Diesel

C’est en 1892 que Rudolf Diesel a créé le moteur Diesel à quatre temps. Le moteur Diesel est un moteur à combustion interne dont l’allumage n’est pas commandé, mais spontané par un phénomène d’auto-allumage ou auto-inflammation (Nahim, 2016).

Les moteurs Diesel sont souvent classés par leur vitesse de rotation. En effet, plus le moteur est gros, plus la course du piston est grande, et plus le moteur est lent. Il existe trois classes de moteurs Diesel, les premiers moteurs sont des moteurs lents (vitesse de rotation < 300 tr/min) tandis que les seconds sont des moteurs semi rapides (300 tr/min < vitesse de rotation <1000 tr/min) et enfin les moteurs qui sont rapides (vitesse de rotation > 1000 tr/min). Les moteurs semi rapides et rapides sont principalement des moteurs à quatre temps, et les moteurs lents sont des moteurs à deux temps (Mohamed, 2017).

Fonctionnement du moteur Diesel

Dans un moteur Diesel, l’allumage est obtenu par une auto-inflammation du carburant suite à l’échauffement de l’air sous l’effet de la compression. Un rapport de compression normal est de l’ordre de 14 à 25. Un tel taux de compression amène la température de l’air dans le cylindre de 700 à 900°C. Cette température étant celle de l’auto-inflammation du mazout, celui- ci s’enflamme spontanément au contact de l’air, sans qu’il y ait besoin d’une étincelle, et, par conséquent, sans système d’allumage (Mohamed, 2017).

Cycle à quatre temps

Le cycle de fonctionnement du moteur Diesel se décompose en quatre temps : admission, compression, détente et échappement. Le cycle mécanique correspond à deux allers et deux retours de piston, c’est-à-dire quatre courses, et deux tours de rotation du vilebrequin, soit 720º (Mohamed, 2017).

Admission

Le premier temps correspond à l’ouverture de la soupape d’admission (admission d’air frais). Le piston descend du point mort haut (PMH), position haute extrême, au point mort bas (PMB), position basse extrême. La dépression créée par la descente du piston permet le

remplissage du cylindre par le mélange gazeux (fermeture de la soupape d’admission). Cette phase d’admission est primordiale (Mohamed, 2017).

Compression

Le deuxième temps correspond à la compression de l’air frais. Les soupapes d’admission et d’échappement sont fermées. Le piston remonte vers le point mort haut et comprime l’air précédemment admis. Il y a une forte augmentation de pression (10 à 25 fois sa valeur initiale) due à la diminution de volume. De plus, une augmentation de la température assure l’inflammation spontanée du mélange combustible-air chaud au moment de l’injection (Mohamed, 2017).

Combustion-détente

Le troisième temps correspond à la détente des gaz. Les soupapes d’admission et d’échappement sont fermées. Le combustible est injecté sous très haute pression dans la chambre de combustion avant la pression maximale, et lorsque le piston est au point mort haut. Cette pression maximale créée dans la chambre de combustion repousse le piston vers le PMB, d’où la production d’un travail mécanique. La conversion du travail mécanique en mouvement de rotation permet de tourner le vilebrequin (Mohamed, 2017).

Échappement

Le quatrième temps correspond à l’échappement des gaz brûlés. L’ouverture de la soupape d’échappement et le piston remonte du point mort bas vers le point mort haut et chasse vers l’atmosphère les gaz brûlés. (Mohamed, 2017).

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Figure 2 : Cycle à quatre temps (Fourmental W., et Nadalon L., 2012)

Le fonctionnement du moteur diesel comporte quatre (4) cycles montrés ci-haut. Dans les prochaines lignes nous allons voir le moteur thermique W20V32 et ses principales caractéristiques.

Moteur thermique de marque WÄRTSILÄ W20V32

Wärtsilä est une entreprise finlandaise d’un capital de 10 375 000 000 € spécialisée dans la fabrication industrielle de générateurs électriques et de moteurs de bateaux. Fondée en 1834, elle a son siège dans la capitale Helsinki. Elle est également cotée en bourse (Vuosikertomus, 2017).

Les moteurs thermiques W20V32 (Annexe 3) sont conçus pour un fonctionnement continu au fuel lourd ou léger suivant la norme ISO 8217, catégorie ISO-F-RMK 55 tout en respectant les conditions d’exploitation. La conception du circuit combustible délivre la quantité de combustible requise au moteur à la température et pression appropriées (Wärtsilä, 2011). Le tableau 3 ci-après présente les principales caractéristiques du moteur W20V32.

Tableau 3: Les principales données techniques du moteur W20V32 (Wärtsilä, 2011)

NB : Moteurs pour centrale : la valeur Puissance/cylindre peut varier en fonction de la conception et du détarage du moteur (propre à l’installation). Ces caractéristiques fournies par le constructeur permettent à l’exploitant de connaitre les paramètres liés aux conditions d’exploitation.

Après avoir vu en détail les principales caractéristiques du moteur de notre étude, il sera question dans les lignes suivantes des principaux composants dudit moteur.

Les principaux composants du Moteur W20V32

Le moteur W20V32 est un moteur turbo diesel à 4 temps avec un post-refroidissement et une injection de combustible directe.

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Figure 3: Coupe du moteur W20V32 (Wärtsilä, 2011)

Le moteur W20V32 est constitué de plusieurs organes : les organes mobiles et fixes. Ces différents organes seront détaillés dans le prochain paragraphe.

Les organes fixes

L’ensemble bloc-cylindres culasse est un ensemble indéformable qui sert de point d’appui aux éléments mobiles internes et externes et permet la fixation de certains organes externes (démarrage, pompe à eau, alternateur, etc.).

Les organes mobiles

Les organes mobiles sont des organes du moteur qui transforment leur mouvement de translation en mouvement de rotation (une énergie mécanique). Dans notre cas, cette énergie est obtenue par le mouvement du piston transmis au vilebrequin par le biais de la bielle. Les organes mobiles sont constitués de : piston, segments de piston, axe de piston, bielle, coussinets et vilebrequin (Wärtsilä, 2011).

La distribution

La distribution est l’ensemble des organes qui permettent de réaliser l’introduction des gaz frais à l’intérieur des cylindres et l’évacuation des gaz brûlés à l’extérieur des cylindres. Un système de distribution comprend : les soupapes, les ressorts de soupapes, l’arbre à came et les cames, les poussoirs, les tiges de poussoirs, le système d’entraînement de l’arbre à cames (pignons, roues dentées, courroies et chaînes), les sièges de soupapes et les guides de soupapes (Wartsila, 2011).

Circuit d’alimentation

Le circuit d’alimentation est le système qui assure la circulation du fuel jusqu’à la chambre de combustion. Le circuit est composé des principaux organes : pompe à injection et l’injecteur (Wartsila, 2011).

Pompe d’injection

La pompe d’injection met le carburant sous pression vers le gicleur d’injection. Il dispose d’un mécanisme de régulation permettant d’augmenter et de diminuer la quantité d’alimentation en carburant en fonction de la charge et de la vitesse du moteur. Les pompes sont régulées par un régulateur (Wartsila, 2011).

Injecteur

L’injecteur est situé en position centrale dans la culasse et inclut le porte-injecteur et le gicleur. Le carburant entre dans le porte-injecteur par les côtés via une pièce de raccord montée dans le porte-injecteur. Les gicleurs reçoivent du combustible à haute pression du tuyau d’injection, et injectent ce combustible dans la chambre de combustion sous forme de nébulisation très fine. La pression à laquelle le gicleur fonctionne peut-être corrigée en tournant la vis de réglage dans l’injecteur (Wartsila, 2011).

Etude du combustible : le LFO

• • • 1. Généralités sur le LFO (gasoil)

Le mot « gazole », attesté en 1973, est adapté de l’anglicisme gasoil en 1920, emprunté de l’anglais nord-américain gas oil qui désignait tout hydrocarbure produisant des gaz par distillation. Le mot « gazole » est surtout utilisé en France ; c’est le seul qui figure dans la base de données FranceTerme pour désigner ce carburant (Robert, 2006).

Le gazole à température et pression ambiante n’est pas miscible dans l’eau. Le gazole pétrolier est un dérivé du pétrole composé à environ 75 % d’hydrocarbures saturés, principalement des alcanes paraffiniques, notamment les n, iso et cyclo-paraffines et à 25 % d’hydrocarbures aromatiques dont des naphtalènes et les alkylbenzènes (ATSDR, 1995).

Sa formule chimique moyenne est C12H24 allant en réalité approximativement de C10H22 à C15H28 (Anil, 2011).

Il est produit par distillation fractionnée de pétrole brut quand ce dernier atteint une température comprise entre 200 et 350 °C à pression atmosphérique, ce qui donne un mélange de chaînes carbonées contenant typiquement de 8 à 21 atomes de carbone par molécule de gazole dit « gazole atmosphérique ». On peut séparer le « gazole atmosphérique » en gazole léger et gazole lourd grâce à une distillation sous vide qui permet alors de séparer les résidus

atmosphériques en gazole léger sous vide (qui est mélangé au gazole léger atmosphérique pour donner du « gazole moteur »), en gazole lourd sous vide, en fiouls lourds et en résidus sous vide utilisables pour produire des bitumes (Collins, 2007).

Propriétés physiques :

Toutes les propriétés du gazole se justifient par les caractéristiques du cycle diesel, en particulier :

• le mode d’introduction du carburant par injection sous haute pression ;
• le déclenchement de la combustion grâce à une auto-inflammation en milieu hétérogène ;
• le réglage de la puissance par modification du débit de gazole introduit dans une même quantité d’air.

Par ailleurs, les critères de qualité requis pour le gazole sont largement tributaires des conditions climatiques pour les zones à climat tempéré (Guibet, 1997). Les différentes caractéristiques du gasoil selon la norme européenne EN 950 sont consignées dans le tableau 4 ci-après.

Tableau 4: Spécification européennes du gazole (Guibet, 1997)

La masse volumique, la volatilité, la viscosité et le comportement à basse température constituent les caractéristiques physiques essentielles du gazole, à prendre en compte pour obtenir un fonctionnement satisfaisant du moteur.

• • • 1. Propriétés chimiques

Indice de cétane

Dans les moteurs Diesels, le combustible est injecté dans l’air préchauffé grâce à la compression dans le cylindre. L’exigence principale que le gazole (le combustible des moteurs Diesel) doit satisfaire est la facilité d’auto-inflammation par contact avec l’air comprimé. La durée de temps du moment d’injection de combustible jusqu’à son auto-inflammation est nommé délai d’allumage.

Le délai dépend de plusieurs facteurs, en particuliers, de la nature de combustible ou de son indice de cétane. Cet indice est le pourcentage en volume de cétane dans un combustible de référence qui a le même délai d’allumage que le gazole à éprouver. Le combustible de référence est un mélange de cétane C16H34 très inflammable (IC = 100) et de α- méthylnaphtalène (C10H7CH3) très peu inflammable (IC = 0).

L’indice de cétane (IC) pour les moteurs Diesels doit être supérieur à 50 (IC≥50). (Ibrahim, 2006).

Il est parfois difficile d’obtenir l’indice de cétane minimal requis par simple mélange des bases disponibles en raffinerie. Aussi, utilise-t-on, de plus en plus fréquemment, des additifs appelés procétane. Ce sont des produits oxydants, particulièrement labiles, dont la décomposition génère des radicaux libres et favorisent ainsi l’auto-inflammation. Deux familles de composés organiques ont été expérimentées : les peroxydes et les nitrates ; ces derniers sont les seuls utilisés en pratique, en raison d’un meilleur compromis coût-efficacité-facilité de mise en œuvre. Les plus connus sont des nitrates d’alkyle, plus précisément des nitrates de 2-éthyl-hexyle (Guibet, 1997).

Pouvoir calorifique

Ces caractéristiques ne figurent pas dans les spécifications (sauf dans le cas des carburéacteurs) ; elles ont pourtant une grande importance, puisqu’elles déterminent la consommation de carburant, que celle-ci soit exprimée en masse ou en volume.

Le pouvoir calorifique massique ou volumique d’un carburant est la quantité d’énergie libérée par unité de masse ou de volume de carburant, lors de la réaction chimique de combustion complète conduisant à la formation de CO2 et H2O. Le carburant est pris, sauf mention contraire,

à l’état liquide et à une température de référence, généralement 25°C. L’air et les produits de combustion sont considérés à cette même température. Le tableau 5 montre quelques valeurs typiques de PCI massique et volumique des différentes catégories de carburants, depuis GPL-C jusqu’au fuel lourd. On observe que lorsque la masse volumique croît, PCIm diminue, tandis que PCIv augmente (Guilbet, 1998).

Les valeurs moyennes des pouvoirs calorifiques massique et volumique des différents types de carburants sont indiquées dans le tableau 5 ci-après.

Tableau 5: Pouvoirs calorifiques massique et volumique des différents types de carburants

(valeurs moyennes) (Guibet, 2000)

A ces propriétés chimiques, s’ajoutent la couleur, la teneur en résidus carbone, la teneur en soufre, la corrosion à la lame de cuivre, teneur en eau, la teneur en cendre et le point éclaire.

Dans le prochain chapitre, il sera question des matériels et méthode de cette étude.

Questions Fréquemment Posées

Comment fonctionne un moteur Diesel?

Dans un moteur Diesel, l’allumage est obtenu par une auto-inflammation du carburant suite à l’échauffement de l’air sous l’effet de la compression.

Quels sont les quatre temps du cycle de fonctionnement d’un moteur Diesel?

Le cycle de fonctionnement du moteur Diesel se décompose en quatre temps : admission, compression, détente et échappement.

Quelles sont les caractéristiques du moteur thermique W20V32?

Le moteur thermique W20V32 est fabriqué par Wärtsilä, une entreprise spécialisée dans la fabrication de générateurs électriques et de moteurs de bateaux.