Impact de l'utilisation des stratégies d'injection multiple et de biodiesel sur un moteur diesel à rampe commune d'injection

Plamondon, Étienne (2015). Impact de l'utilisation des stratégies d'injection multiple et de biodiesel sur un moteur diesel à rampe commune d'injection. Thèse de doctorat électronique, Montréal, École de technologie supérieure.

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Résumé

Les stratégies d’injection multiple et les mélanges diesel/biodiesel ont montré des résultats prometteurs au niveau de l’amélioration de la relation d’échange entre les oxydes d’azotes et les particules en moteur diesel, mais leurs effets ne sont pas parfaitement compris. Dans ce contexte, cette thèse porte sur la caractérisation de l’impact des stratégies d’injection multiple et du biodiesel sur les émissions polluantes, sur les performances et sur le comportement du système d’injection. Afin d’y parvenir, une campagne de tests moteurs a été réalisée et un modèle de simulation de l’injection a été développé. Les tests moteurs à faible charge avec une injection pilote ont permis de réduire les émissions de NOx de 27% et celles de PM de 22.3% comparées à l’injection simple, à la condition qu’un réglage précis des paramètres d’injections soit préalablement réalisé. Cette réduction simultanée s’explique par la réduction de la phase de combustion prémélangée et de la quantité de carburant injectée durant l’injection principale lorsque l’injection pilote est utilisée. En injection triple et pour la charge moteur testée, la postinjection n’a pas permis de réduire les PM puisqu’elle contribue elle-même à la production de PM alors que la préinjection se produit trop tôt pour brûler convenablement en plus de causer des perturbations dans le système d’injection. L’utilisation d’un mélange de B20 en injection simple a causé une augmentation des PM et une réduction des NOx qui s’expliquent probablement par une moins bonne atomisation du carburant. Toutefois, l’injection pilote avec du B20 a permis d’obtenir une réduction simultanée des NOx et des PM, tout comme avec du diesel. Un modèle de simulation de l’injection a également été développé et validé expérimentalement pour plusieurs pressions d’injection, durées d’activation et délai entre les injections. Les simulations ont montré qu’il existe une durée d’activation critique à laquelle la durée d’injection est la même pour le diesel et pour le biodiesel. Pour une durée d’activation plus courte, la durée d’injection du biodiesel est plus courte que celle du diesel alors qu’une durée d’activation plus longue présente le comportement inverse. La durée d’injection pour les différents mélanges se trouve entre les situations de carburant pur. L’utilisation de propriétés constantes (densité, viscosité) et de coefficient de décharge constant n’a pas montré de perte de précision majeure sur les estimations de débit massique, mais a permis d’obtenir un gain important en temps de calcul. L’utilisation d’un module de compressibilité et d’une pression d’injection variable s’est quant à elle montrée essentielle afin de ne pas obtenir de changement drastique sur la prédiction finale. Finalement, la pertinence du modèle proposé dans un cadre d’essais moteurs a été démontrée autant pour l’utilisation de stratégies d’injection multiple que pour celle de biodiesel puisqu’il permet un ajustement précis des paramètres d’injections tout en considérant les effets dynamiques causés par l’injection.

Titre traduit

Impact of using multiple injection strategies and biodiesel on a common rail diesel engine

Résumé traduit

Using biodiesel/diesel fuel blends and multiple injection strategies in diesel engines have shown promising results in improving the trade-off relationship between nitrous oxides and particulate matters, but their effects are still not completely understood. In this context, this thesis focuses on the characterization of the multiple injection strategies and biodiesel impacts on pollutant emissions, performances and injection system behavior. To reach this goal, an experimental campaign on a diesel engine was performed and a model simulating the injection process was developed. The engine tests at low load with pilot injection allowed the reduction of NOx emissions up to 27% and those of PM up to 22.3% compared to single injection, provided that a precise tuning of the injection parameters was previously realized. This simultaneous reduction is explained by the reduction of the premixed combustion phase and injected fuel quantity during principal injection when a pilot injection is used. With triple injection for the tested engine load, the post-injection did not result in PM reduction since it contributes by itself to the PM production while the preinjection occurred too soon to burn conveniently and caused perturbations in the injection system as well. Using B20 blend in single injection caused a PM increase and a NOx reduction which might be explained by the poorer fuel atomization. However, pilot injection with B20 allowed to get a simultaneous reduction of NOx and PM, as observed with diesel. An injection simulation model was also developed and experimentally validated for different injection pressures as well as different energizing times and dwell times. When comparing the use of biodiesel with diesel, simulation showed that there was a critical energizing time for which both fuels yielded the same injection duration. For shorter energizing times, the biodiesel injection duration was shorter than for diesel, while longer energizing times presented the opposite behavior. The injection duration for the different blends falls between the pure-fuel situations. The use of constant properties (density, viscosity) and constant discharge coefficient showed no major loss in the precision of the flow-rate estimation, but revealed a great gain in calculus time. The use of pressure dependent bulk modulus and fluctuating injection pressure proved to be essential in order to have no drastic changes in the final predictions. Finally, the proposed model relevance in a case of engine testing was demonstrated with multiple injection stratégies as well as with biodiesel since it allows a precise adjustment of the injection parameters while considering the dynamic effects caused by the injection.

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". Bibliographie : pages 242-252.
Mots-clés libres:	Véhicules automobiles Moteurs Injection du carburant Modèles mathématiques. Biodiesel. Moteurs diesel Alimentation en carburant. Moteurs diesel Gaz d'échappement Aspect de l'environnement. commune, injection, multiple, rampe, émissions polluantes, dégagement de chaleur, modèle mathématique, simulation d’injection
Directeur de mémoire/thèse:	Directeur de mémoire/thèse Seers, Patrice
Programme:	Doctorat en génie > Génie
Date de dépôt:	15 sept. 2015 16:21
Dernière modification:	15 sept. 2015 16:21
URI:	https://espace.etsmtl.ca/id/eprint/1502

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