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Caractérisation de l'influence des conditions d'injection et des propriétés physiques sur les jets pour des mélanges d'essence et d'alcools

Bruyère Bergeron, Simon (2011). Caractérisation de l'influence des conditions d'injection et des propriétés physiques sur les jets pour des mélanges d'essence et d'alcools. Mémoire de maîtrise électronique, Montréal, École de technologie supérieure.

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Résumé

L’objectif de ce mémoire est d’améliorer la compréhension des différents mécanismes présents lors de l’injection de carburant. Depuis peu, les alcools font leurs entrées dans le marché et sont mélangés, en différentes proportions, à l’essence. Ainsi, il devient important de mieux comprendre comment les propriétés physiques des carburants influencent le jet au niveau de sa pénétration. Le second objectif est d’élaborer un modèle analytique construit à l’aide de corrélations empiriques qui puisse reproduire fidèlement les courbes de pénétrations. La construction de ce modèle permettra d’identifier quels paramètres sont prédominants. Pour ce faire, une série d’essais expérimentaux a été réalisée en utilisant une caméra haute vitesse et une enceinte ayant la capacité d’être pressurisée. Les paramètres à l’étude sont la pression d’injection, la pression ambiante, la température ambiante, la durée d’injection et bien sûr, les propriétés physiques des carburants. Les carburants utilisés sont l’essence, l’iso-octane, l’éthanol et le butanol, ainsi que deux mélanges à parts égales; l’un constitué d’iso-octane et d’éthanol et l’autre, d’iso-octane et de butanol. L’analyse, à l’aide d’un logiciel de traitement d’image, a permis de faire certaines observations. D’abord, il a été noté que les alcools pénètrent moins que l’essence et l’iso-octane et ce, indépendamment des conditions ambiantes. Ensuite, la pression d’injection augmente la vitesse initiale du jet, ce qui a comme conséquence d’atomiser plus finement le jet, ce qui réduit la pénétration.

Ensuite, la pression ambiante joue un rôle très important. De par l’augmentation de la masse volumique du milieu ambiant, les forces aérodynamiques vont forcer, de façon systématique, le jet à ralentir et ainsi, réduire considérablement sa pénétration. L’augmentation de la température ambiante fait apparaître des mécanismes complexes liés à l’évaporation.

L’enthalpie de vaporisation est un indicateur de la sensibilité d’un carburant à l’augmentation de la température ambiante. Par exemple, l’éthanol, de par sa haute valeur d’enthalpie de vaporisation, est considérablement moins affecté par une augmentation de la température que le butanol. Finalement, la durée d’injection influence le jet uniquement au niveau de la pénétration totale en ajoutant de la quantité de mouvement durant une période plus ou moins longue. En somme, ces tests ont permis de développer des corrélations et de bâtir un modèle empirique. L’avantage de ce modèle est qu’il prend en compte le poids relatif des propriétés physiques des carburants. Ainsi, il a été établi que parmi les trois propriétés physiques prises en compte, la masse volumique s’avère la plus importante durant toute l’injection.

Ensuite, durant les moments initiaux de l’injection, l’enthalpie de vaporisation et la température d’ébullition ont sensiblement le même poids relatif, tandis qu’à la fin de l’injection, la température d’ébullition prend le dessus sur l’enthalpie de vaporisation.

Titre traduit

Characterization of the influence of injection conditions and fuel physical properties on sprays for blends of gasoline and alcohols

Résumé traduit

The objective of this thesis is to improve the understanding of different mechanisms that are encountered during fuel injection. Recently, alcohols have made their way into the market and are often blended, in different proportions, to gasoline. Therefore, it becomes crucially important to understand how fuels’ physical properties influence sprays in terms of penetration. The second objective is to elaborate an analytical model using empirical correlations that can accurately reproduce the spray penetration curves. Furthermore, the construction of these correlations will help identify which variables are predominant. To acquire the necessary data, an experimental setup was elaborated together with high speed imaging techniques. This study’s variables are the injection pressure, the ambient pressure, the ambient temperature, the injection duration and the physical properties of the fuels. The fuels used in this research were gasoline, iso-octane, ethanol and butanol as well as two blends in equal volume; one of ethanol and iso-octane and the other, of butanol and isooctane. The analysis, using an imaging processing program, has yielded certain observations.

Firstly, it was noted that alcohols penetrate less than gasoline and iso-octane, independently of ambient conditions. Secondly, injection pressure increases initial spray velocity but ultimately causes the spray to atomise more finely which reduces penetration. Thirdly, ambient pressure has a significant impact on spray penetration because an increase in ambient density causes the aerodynamic forces to increase systematically resulting in a shallower penetration. Fourthly, an increase in ambient temperature triggers complex evaporation mechanisms. The enthalpy of vaporization is an indicator of a fuel’s sensitivity to an increase in ambient temperature. For example, ethanol, because of its high value of vaporizing enthalpy, is considerably less affected by an increase of temperature than butanol. Finally, injection duration tests have no impact on penetration curves besides increased penetration due to longer momentum flux input. These tests have helped develop correlations to be implemented in an empirical model. The advantage of this model is that it takes into account the relative weight of fuel physical properties. It was established that, amongst the three properties that were considered, fuel density is the most important throughout the injection. Then, during the early stage of the injection, the boiling temperature and the enthalpy of vaporization have similar relative weight, whereas towards the end of the injection, the boiling temperature becomes more important than the enthalpy of vaporization.

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. [113]-117.
Mots-clés libres: Essence-alcool Moteurs Injection du carburant. Essence-alcool Propriétés. Jets. Caméras. Traitement d'images. Corrélation (Statistique) Caractérisation, Condition, Empirique, Modèle, Pénétration
Directeur de mémoire/thèse:
Directeur de mémoire/thèse
Seers, Patrice
Programme: Maîtrise en ingénierie > Génie mécanique
Date de dépôt: 15 sept. 2011 14:38
Dernière modification: 16 févr. 2017 21:35
URI: http://espace.etsmtl.ca/id/eprint/903

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