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Modélisation d'un moteur diesel marin avec turbulure pour capteur de pression

Chamberland, Carl (2006). Modélisation d'un moteur diesel marin avec turbulure pour capteur de pression. Mémoire de maîtrise électronique, Montréal, École de technologie supérieure.

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Résumé

Les moteurs diesels sont utilisés pour assurer le système de propulsion de la majorité des navires marchands. L'installation de nouvelles technologies pour réduire la production de gaz à effet de serres peut provoquer une grande perte de puissance allant même jusqu'à provoquer certaines avaries. L'installation d'un système d'acquisition de données est nécessaire pour effectuer un contrôle du moteur pour toutes les conditions d'opération. Ces systèmes d'acquisition de données requièrent l'utilisation d'un capteur de pression en contact direct avec la chambre de combustion.

La géométrie complexe de la tête de cylindre permet rarement un montage direct du capteur de pression et les chocs thermiques violents réduisent considérablement la durée de vie des capteurs piézoélectriques, ce qui oblige à les installer à distance de la tête de cylindre. Évidemment, ceci cause une erreur lors du calcul des divers paramètres thermodynamiques tel que la puissance indiquée et la chaleur dégagée.

Un modèle développé en conception assistée par ordinateur a été solutionné grâce à un logiciel de résolution numérique de dynamique des fluides. Les résultats nous montrent que le positionnement du capteur de pression est crucial. Les effets sont loin d'être négligeables car chacune des courbes présente un déphasage angulaire et une augmentation de la pression maximale ainsi qu'une oscillation causée par la présence du tuyau de raccord. L'étude permet de vérifier l'effet de la vitesse de rotation, de la charge moteur et de la longueur de tuyau de raccord sur le diagramme de pression. La charge moteur ne cause aucun effet notable. L'écart maximal lors du calcul du travail indiqué est de 0.97% pour une charge de 85%. Par contre, la vitesse de rotation cause une variation inversement proportionnelle de la fréquence naturelle de l'oscillation de la courbe de pression. Un écart maximal de 0.17% à 500 rpm a été obtenue pour le calcul du travail indiqué. La longueur du tuyau de raccord est proportionnelle à l'écart calculé pour le travail indiqué. Le tuyau de raccord de 237 mm possède une fréquence naturelle de 543 Hz comparativement à 176 Hz pour le tuyau de 694 mm.

L'utilisation de cette méthode permet de réduire grandement les coûts reliés au développement et à l'installation des systèmes d'acquisition de données. Ceci permettra de fournir des informations importantes à l'ingénieur maritime lui permettant d'effectuer un ajustement plus adéquat du moteur présentement sous investigation.

Titre traduit

Marine diesel engine modeling fitted with a pressure transducer at the end of a duct

Résumé anglais

Diesel engines are commonly used in propulsion system of merchant ships. New technologies applied to these engines tend to reduce the production of greenhouse gases. While these solutions are installed, the engine can suffer a severe loss of power or even a breakdown due to the installation of after market emissions reduction devices. Therefore, data acquisition systems are used in combination with emission reduction devices to monitor the engine in every operating condition. These data acquisition systems require the installation of pressure transducers directly connected to the combustion chamber.

Since the geometry of the cylinder head rarely permits flush mounting of the pressure transducer and that high temperature causes high risk of thermal shock that will greatly reduce the life-time of piezoelectric transducers, the only other way is to install them at the far end of a duct. This configuration results in possible errors in the measured pressure diagram which is used in calculating indicated power and heat release.

For this purpose, a computer assisted design model of the cylinder and duct was developed. The model was later solved using computational fluid dynamics software. The results show that the positioning of the pressure transducer is crucial. The effect is far from negligible since a phase difference and a maximum pressure overshoot where recorded for every operating condition. We also noted a pressure oscillation due to the natural frequency of the duct which is directly connected to its length. We further investigated the effect of engine load, speed and length of the duct on the measured pressure diagram. Load seems to have no effect on the pressure diagram. The maximum error regarding the indicated work was 0.97 % at 85 % load. On the other hand, the speed has a strong effect on the pressure diagram and on the natural frequency. The speed is inversely proportional to the natural frequency. A maximum error of 0.17% at 500 rpm was found for the indicated work calculation. The error is proportional to duct length in the indicated work calculation. The short duct of 237 mm as a natural frequency of 543Hz compared to 176Hz for the 694 mm duct.

The proposed method will greatly reduce the development and installation cost of a data acquisition system. This will inform the service engineer of the effect of the duct on the measured pressure diagram for the diesel engine under investigation providing him with better knowledge on how to adjust the engine.

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 en génie mécanique". Bibliogr.: f. [94]-96. Chap. 1. Revue de la littérature -- Chap. 2. Informations techniques -- Chap. 3. Développement du modèle de base -- Chap. 4. Comparaison des différents cas.
Mots-clés libres: Capteur, Cas, Charge, Conception, Diagramme, Diesel, Fluide, Logiciel, Marin, Mecanique, Modele, Modelisation, Moteur, Numerique, Pression, Raccord, Resolution, Rotation, Tubulure, Tuyau
Directeur de mémoire/thèse:
Directeur de mémoire/thèse
Seers, Patrice
Programme: Maîtrise en ingénierie > Génie mécanique
Date de dépôt: 18 févr. 2011 20:09
Dernière modification: 03 nov. 2016 00:03
URI: http://espace.etsmtl.ca/id/eprint/499

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