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Évaluation de l'utilisation de carburants oxygénés sur un moteur à injection directe avec l'utilisation des modes d'injection homogène et stratifiée

Fournier, Sébastien (2015). Évaluation de l'utilisation de carburants oxygénés sur un moteur à injection directe avec l'utilisation des modes d'injection homogène et stratifiée. Mémoire de maîtrise électronique, Montréal, École de technologie supérieure.

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Résumé

L’introduction de l’injection directe dans les moteurs à allumage commandé permet une économie d’essence intéressante. De plus, cette technique jumelée à l’utilisation des carburants renouvelables permet une réduction de l’utilisation des carburants fossiles. Les carburants oxygénés les plus utilisés dans un moteur à allumage commandé sont l’éthanol et le butanol. Le butanol est plus intéressant dû à sa similitude avec l’essence, mais celui-ci est plus couteux à produire. Alors, l’utilisation d’un mélange d’acétone, de butanol et d’éthanol (ABE) peut être pertinente, car c’est le résultat de la fabrication du butanol par voie de fermentation. Dans ce contexte, ce mémoire aura pour mandat de caractériser l’effet de l’ajout d’acétone dans un mélange d’ABE mélangé à l’essence dans un moteur à injection directe sous les modes d’injection homogène et stratifiée.

Afin de répondre à ce mandat, une étude expérimentale a été réalisée sur un moteur à quatre cylindres à injection directe avec des mélanges d’éthanol, de butanol de BE et d’ABE. Le passage du mode d’injection homogène à stratifiée permet une réduction de la consommation spécifique de carburant de 5 % avec l’essence. L’ajout de carburants oxygénés a pour effet d’augmenter la consommation spécifique de carburant, par contre cette augmentation est plus faible en mode d’injection stratifiée. Une augmentation de la consommation a été néanmoins aperçue avec le mélange à 40 % d’ABE comparativement aux autres mélanges de carburants oxygénés.

Peu de changement dans les émissions de CO et d’HC a été observé pour le mode d’injection homogène. Ces émissions polluantes semblent plus sensibles au ratio air-carburant qu’au taux de carburants oxygénés. En mode d’injection stratifiée, autant le taux de carburants oxygénés que le ratio air-carburant influencent les émissions de CO et de NOX. L’ajout de carburants oxygénés a pour effet d’augmenter les émissions de CO et de diminuer les émissions de NOX. La diminution des NOX est attribuable à une température de flamme adiabatique plus faible, mais aussi à une diminution de la température initiale du mélange air-carburant lorsque le carburant est injecté dans le cylindre. Pour les émissions d’HC et de particules, l’ajout de forte concentration de carburants oxygénés a pour effet d’augmenter ces émissions. Les causes possibles de ces augmentations sont le résultat de la combustion de carburant liquide due à la présence de goutte dans le mélange air-carburant et d’un film de carburant sur la tête du piston lors de l’allumage. L’influence de l’acétone dans le mélange d’ABE n’affecte pas les résultats de polluants.

Titre traduit

Evaluation of oxygenated fuels use in a direct injection engine with the use of homogeneous and stratified injection

Résumé anglais

The introduction of direct injection spark ignition engines enables low fuel consumption. Moreover, this technique combined to the use of renewable fuels allows a reduction in the use of fossil fuels. Oxygenated fuels mostly used in a spark-ignition engine are ethanol and butanol. Butanol is more interesting due to its similarity to gasoline, but it is more expensive to produce. Then, using a mixture of acetone, butanol and ethanol (ABE) can be suitable because it is the result from the production of butanol by the fermentation way. In this context, this thesis will be mandated to characterize the effect of adding acetone in a mixture of ABE blended with gasoline in a direct injection engine in the homogeneous and stratified injection modes.

To meet this mandate, an experimental study was conducted on a four-cylinder direct injection engine with mixtures of ethanol, butanol BE and ABE. The passage of the homogeneous to the stratified injection mode allows a reduction in specific fuel consumption by 5% fuel with gasoline. The oxygenated fuel addition has the effect of increasing the SFC, however this increase is lower in stratified injection mode. An increase in SFC was nevertheless noticed with the mixture 40% of ABE compared to other mixtures with oxygenated fuels.

Little change in emissions of CO and HC was observed for the homogeneous injection mode. These emissions seem more sensitive to air-fuel ratio than oxygenated fuel concentration. In stratified mode injection, the oxygenated fuel concentration as well as the air-fuel ratio affect emissions of CO and NOX. The oxygenated fuel addition has the effect of increasing CO and reducing NOX emissions. The decrease in NOX is attributable to a lower adiabatic flame temperature, but also to an initial decrease in temperature of the air-fuel mixture when fuel is injected into the cylinder. For emissions of HC and PM, adding high fuel oxygen concentration has the effect of increasing these emissions. Possible causes of these increases are a result of the combustion of liquid fuel due to the presence of droplets in the air-fuel mixture and a fuel film on the piston crown during ignition. The influence of acetone in the mixture of ABE did not affect the results of pollutants.

Type de document: Mémoire ou thèse (Mémoire de maîtrise électronique)
Renseignements supplémentaires: "Mémoire présenté à l'École de technologie supérieure comme exigence partielle à l'obtention de la maîtrise avec mémoire en génie mécanique". Bibliographie : pages 115-123.
Mots-clés libres: Véhicules automobiles Moteurs Injection du carburant. Moteurs à explosion Carburants de remplacement. Essence oxygénée. Acétone. Butanol. Éthanol (Combustible) Écoulement stratifié. Véhicules automobiles Carburants Consommation Aspect de l'environnement. Polluants atmosphériques. moteur à allumage commandé, injection directe, carburants oxygénés, émissions polluantes, mode d’injection stratifiée
Directeur de mémoire/thèse:
Directeur de mémoire/thèse
Seers, Patrice
Programme: Maîtrise en ingénierie > Génie mécanique
Date de dépôt: 22 déc. 2015 21:24
Dernière modification: 22 déc. 2015 21:24
URI: http://espace.etsmtl.ca/id/eprint/1594

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