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Étude de l'effet d'injection double sur le comportement d'un système d'injection directe de diesel à rampe commune

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Tétrault, Pascal (2019). Étude de l'effet d'injection double sur le comportement d'un système d'injection directe de diesel à rampe commune. Thèse de doctorat électronique, Montréal, École de technologie supérieure.

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Résumé

Afin de réduire l’intensité de carbone du transport, plusieurs solutions techniques sont étudiées dont l’usage de voitures électriques, de voitures hybrides et de moteurs thermiques plus propres. Cependant chacune de ces technologies doit répondre à des difficultés spécifiques. Au niveau des moteurs à allumage par compression qui offrent un rendement thermique supérieur aux moteurs à allumage commandé, ils doivent néanmoins réduire leurs émissions de NOx et de suies. Comme la formation de polluants dans ce type de moteurs est sensible à la répartition air-carburant dans le moteur, des systèmes complexes d’injection directe à rampe commune (CRDI) permettant un contrôle accru sur ce processus ont été implantés. Le contrôle accru sur l’injection de carburant complexifie cependant la dynamique des jets par l’interaction entre plusieurs injections successives. Les travaux de cette thèse s’intéressent donc à ces interactions et aux mécanismes physiques responsables à plusieurs niveaux, soit via la formation d’ondes de choc en bout de jet, un couplage via la dynamique de l’aiguille et un potentiel couplage aérodynamique via une vitesse induite à l’air par une première injection réduisant la traînée des gouttes pour les injections qui suivent. L’étude du potentiel couplage via une onde de choc s’est réalisé expérimentalement et numériquement. Les résultats expérimentaux avec un injecteur multi-orifices ont démontré la présence d’ondes de choc dont l’intensité est plusieurs ordres de grandeur plus faible qu’un injecteur monotrou de la littérature. Les chocs émis sont suivis d’ondes de décompression rééquilibrant la pression après le passage de l’onde. Le volet numérique a été abordé à l’aide d’une approche 1D simulant une onde de choc traversant un nuage de gouttelettes au repos. Cette étude numérique a permis de conclure que les amplitudes d’ondes de choc observées expérimentalement dans le cadre de cette thèse n’ont pas l’intensité nécessaire afin de servir de mécanisme de couplage. Cependant les amplitudes reportées dans la littérature pourraient permettre une interaction entre les jets en repoussant les gouttelettes vers l’avant. Au niveau de l’analyse du couplage hydraulique entre les injections, il a été observé expérimentalement que le délai d’ouverture décroît et que le délai de fermeture ainsi que la masse injectée augmentent lorsque le délai entre les injections décroît. Une adimensionnalisation des résultats en les exprimant en coefficients d’écoulement et en fonction d’une échelle de temps adimensionnalisée par rapport au délai d’ouverture permet de relever des taux de croissance et de décroissances du débit indépendants de la durée d’injection et de la pression d’injection. Un modèle empirique est ensuite développé afin de mettre en évidence l’impact de la durée effective accrue sur la masse totale injectée et le couplage hydraulique entre les injections. L’usage de ce modèle permet de conclure que la surinjection de masse peut être attribuable à l’augmentation de la durée effective d’injection et permet une approximation adéquate de la masse injectée sur l’ensemble des stratégies d’injection étudiées. Une étude par visualisations à haute vitesses des jets par diffusion de Mie est ensuite effectuée afin d’étudier un potentiel couplage aérodynamique entre les jets. Une différence qui varie en fonction du délai entre les injections est observée au niveau de la pénétration de jet entre deux injections de même durée d’énergisation. Ces variations semblent toutefois correspondre aux stratégies pour lesquelles une surinjection de masse est observée. Le modèle de (Décantes et al.,2006) est modifié afin de l’adapter aux injections courtes et multiples. Ce modèle bien que négligeant un potentiel couplage par entrainement de l’air permet une modélisation adéquate de la pénétration de jet de carburant avec l’injecteur étudié pour des injections courtes et multiples.

Titre traduit

Study of the impact of double injection strategies on the behavior of a common rail diesel injection system

Résumé traduit

In order to answer the climate change problem, different technical solutions aimed at reducing the carbon emission of vehicles are studied such as electric, hybrid vehicles and improved combustion engines running on cleaner fuels. However, each of these technologies is subject to technical difficulties. For compression ignition engines an improvement in pollutant emission performance is needed, particularly for NOx and soot emissions. As pollutant formation mechanisms in compression ignition engines are sensitive to the fuel-air mixing process in the combustion chamber, complex fuel induction systems such as the common rail direct injection systems (CRDI) allowing better control on the mixture formation process were developed. This additional control on the fuel injection process comes at the expense of a complex fuel injection jet dynamics, an already misunderstood process, by introducing potential jet-to-jet interactions between successive injections. The research work covered in this dissertation aims at studying these interactions and the associated physical mechanisms. The studied potential interactions mechanisms are: Interaction via the emission of shock waves at the spray tip, interaction via needle dynamics and interactions via induced air velocity reducing the aerodynamic drag seen by following injections. Interaction via shock waves is studied in a two-step process involving both an experimental and a numerical approach. Experimental results with a multihole injector have shown the presence of shock waves significantly weaker than what was reported in the literature and obtained with single hole injectors. Shocks are followed with decompression waves restoring the ambient pressure after the shock passage. The numerical approach is based on a 1D model simulating a shock wave going through a droplet cloud at rest. The numerical results allowed to conclude that the experimentally observed shocks were not strong enough to act as a coupling mechanism between successive injections. However, shocks of strengths reported in the literature might allow an emitted shock wave to push forward upstream droplets from a previous injection. The study of the hydraulic coupling between injections shown that the injector closing delay and injected mass grows while the injector opening delay drop as the dwell time between injections is reduced. Adimensionalisation of the experimental results expressed in discharge coefficients and adimensional time based on the injector opening delay have shown self-similarity of the injection flowrate growth and reduction rate independent of the injection duration and pressure. A simple empiric model is developed to isolate the impact of the injection effective duration on the total injected mass and the observed coupling behavior. The modeling results allowed to conclude that the observed additional injected mass is associated with this increased injection duration and shown an adequate approximation of the resulting injected mass over the injections strategies covered in this dissertation. High speed visualisations using Mie scattering are used in order to study aerodynamic interactions between successive fuel jets. A significant difference is observed on fuel spray penetration as a function of the dwell time between injection commands. The injection strategies showing an increased jet penetration relative to an electrically equivalent single injection were observed to be corresponding to the strategies showing an increased injected mass. A fuel spray penetration model proposed by (Desantes et al.,2006) is modified to short and multiple injections. This model while neglecting the entrained gas velocity allowed an adequate modeling of the fuel spray penetration with the studied injector under short and multiple injections.

Type de document: Mémoire ou thèse (Thèse de doctorat électronique)
Renseignements supplémentaires: "Thèse présentée à l'École de technologie supérieure comme exigence partielle à l'obtention du doctorat en génie". Comprend des références bibliographiques (pages 207-216).
Mots-clés libres: injections multiples, allumage par compression, jets de carburant, ondes de choc
Directeur de mémoire/thèse:
Directeur de mémoire/thèse
Seers, Patrice
Programme: Doctorat en génie > Génie
Date de dépôt: 14 nov. 2019 20:14
Dernière modification: 14 nov. 2019 20:14
URI: http://espace.etsmtl.ca/id/eprint/2377

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