Impact des stratégies d'injection double sous différentes pressions sur un moteur à allumage commandé à injection indirecte à l'essence

Lafontaine, Jean-François (2022). Impact des stratégies d'injection double sous différentes pressions sur un moteur à allumage commandé à injection indirecte à l'essence. Mémoire de maîtrise électronique, Montréal, École de technologie supérieure.

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Résumé

Les moteurs à allumage commandé à injection indirecte sont encore largement utilisés dû à son faible coût de production et à ses faibles émissions de particules comparées aux moteur à injection directe. Des études ont montré qu'en 2021, plus de 50 % des véhicules aux États-Unis étaient toujours propulsés par de l'injection indirecte. Il est donc toujours d'actualité d'optimiser ce type de moteur. Une revue de littérature a montré des essais faisant appel à l'injection double à soupape ouverte, mais aucune recherche récente semble avoir explorer l'injection double avec une portion à soupape fermée et ouverte. Dans ces circonstances, les travaux de ce mémoire s'intéresseront à l'impact des stratégies d'injection double sous différentes pression d'injection sur un moteur à allumage commandé à l'essence à injection indirecte. Afin d'y parvenir, une campagne de tests pour un point d'opération moteur a été mis en place nécessitant l'élaboration du banc d'essai d'un moteur monocylindre incluant une caméra endoscopique. Une caractérisation macroscopique des jets a montré une diminution de la pénétration du jet avec l'augmentation de la pression d'injection pour une même quantité injectée. Une caractérisation microscopique du jet complet et du jet complètement développé a été effectué. L'analyse du jet complet a révélé une diminution du SMD (Sauter Mean Diameter), un indicateur de taille moyenne des gouttes, entre la tête et la queue du jet démontrant l'impact réduit des forces aérodynamiques sur les gouttes de plus grande taille dû à leur inertie. L'analyse du jet complètement développé a permis d'observer une légère diminution du SMD en augmentant la pression d'injection et en diminuant la durée d'injection, jusqu'à ce que l'aspect transitoire de l'injecteur devienne trop important et que le SMD croît. Le RSF a révélé une moins grande disparité dans la distribution de la taille des gouttes en augmentant la pression d'injection et en diminuant la durée d'injection jusqu'à ce que l'aspect transitoire de l'injecteur devienne trop important, encore une fois. Toutes les stratégies d'injection montrent une excellente stabilité du moteur avec des CVPMEI ne dépassant pas 1,5 %. Une diminution de la CSC allant jusqu'à 10 % est observé lors de l'augmentation de la pression d'injection due à une meilleure atomisation du carburant. Les stratégies d'injection double montre également une diminution de la CSC en profitant d'une meilleure évaporation à soupape fermée et d'un délai d'initiation de la flamme réduit à soupape ouverte. Les stratégies d'injection ne montrent pas d'impact majeur sur la combustion complètement développée sauf pour une basse pression d'injection avec une portion importante de la durée d'injection à soupape ouverte. Les émissions de CO montrent une diminution lors d'injections doubles à 3,5 bars alors qu'elles sont stables à 2 bars. Les émissions de HC sont réduites avec l'augmentation de la pression d'injection s'expliquant par une meilleure atomisation du carburant et augmentent linéairement avec la portion de la durée d'injection à soupape ouverte montrant l'importance du temps pour évaporer. Les émissions de NOx ne sont pas affectés significativement par la stratégie d'injection employée. L'endoscope a permis une analyse qualitative des émissions de particules de suies montrant une courbe bimodale de l'intensité lumineuse des flammes de diffusion en fonction de la position vilebrequin pour les stratégies d'injection double avec les durées d'injection les plus courtes et unimodale pour les autres. Le premier mode révèle des flammes de diffusion près de la soupape d'admission pour les stratégies avec une portion importante d'injection à soupape fermée et près de la bougie du côté de la soupape d'échappement pour celles avec une portion importante d'injection à soupape ouverte. Le mécanisme de formation principal pour le deuxième mode d'intensité se trouve à être les zones localement riches de carburant dans la phase gazeuse.

Titre traduit

Dual injection strategies impact under different pressure on a gasoline spark-ignition port fuel injection engine

Résumé traduit

Indirect injection spark-ignition engines are further expanded in use due to their low production cost and low particulate emissions compared to direct injection engines. Studies have shown that by 2021, more than 50% of vehicles in the United States were still powered by indirect injection. Therefore, it is still relevant to optimize this type of engine. A review of the literature showed trials using double open-valve injection, but no recent research seems to have explored dual injection with a closed and open valve portion. Under these circumstances, the work of this dissertation must be subjected to the impact of double injection strategies under different injection pressures on a gasoline spark-ignition port fuel injection engine. In order to achieve this, a test campaign at a specific engine operating point was set up to evaluate the test bench of a single-cylinder engine including an endoscopic camera. A macroscopic spray characterization showed a decrease in the spray penetration with the increase in injection pressure for the same quantity injected. A microscopic characterization of the entire spray and the fully developed spray was performed. Analysis of the entire spray reveals a decrease in SMD between the spray head and tail showing reduced impact of aerodynamic forces on the larger droplets due to their inertia. Fully developed spray analysis showed a slight decrease in the SMD by increasing the injection pressure and reducing the injection duration, until the transient aspect of the injector became too important and as the SMD (Sauter Mean Diameter), being an indicator of the average drop size, grows. The RSF revealed less disparity in the drops size distribution by increasing the injection pressure and decreasing the injection time until the transient aspect of the injector became too great, once again. All injection strategies have showed excellent engine stability with COVIMEP not exceeding 1.5%. A decrease in specific fuel consumption of up to 10% is observed when increasing the injection pressure due to better atomization of the fuel. The double injection strategies also show a decrease in specific fuel consumption by taking advantage of better evaporation at closed valve and reduced flame initiation delay at open valve. Injection strategies do not show a major impact on fully developed combustion except for low injection pressure with a large portion of open valve injection time. The CO emissions show a decrease during double injections at 3.5 bars whereas they are stable at 2 bars. HC emissions are reduced with increasing injection pressure due to better fuel atomization and increase linearly with the portion of the open valve injection time showing the importance of time to evaporate. NOx emissions are not significantly affected by the injection strategy employed. The endoscope allowed a qualitative analysis of the soot particle emissions showing a bimodal curve of the light intensity of the diffusion flames as a function of the crankshaft position for the double injection strategies with the shortest injection times and unimodal for the others. The first mode reveals diffusion flames near the intake valve for strategies with a large portion of closed-valve injection and near the spark plug on the exhaust valve side for those with a large portion of injection. with open valve. The primary forming mechanism for the second intensity mode is found to be the locally fuel rich areas in the gas phase.

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". Comprend des références bibliographiques (pages 137-143).
Mots-clés libres:	moteur à allumage commandé, injection indirecte, injections doubles, pression d'injection, jets, gouttes, essence, endoscope, caméra endoscopique, émissions polluantes, flammes de diffusion
Directeur de mémoire/thèse:	Directeur de mémoire/thèse Seers, Patrice
Programme:	Maîtrise en ingénierie > Génie mécanique
Date de dépôt:	03 mars 2022 20:24
Dernière modification:	03 mars 2022 20:24
URI:	https://espace.etsmtl.ca/id/eprint/2935

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