Méthodologie

Agilent éclipse XDB-C18 et d’un détecteur UV. Le solvant vecteur est un mélange d’eau et d’acétonitrile dans des proportions 35/65 (% vol.).

Le calibrage de l’appareillage chromatographique est réalisé en utilisant une solution étalon certifiée. Cette méthode nous a permis de détecter 14 aldéhydes et 1 cétone à l’échappement.

2.4 Répétabilité des essais et incertitude de mesure

Comme précédemment montré par D. Alseda [203], les essais sur banc moteur subissent un écart de répétabilité dû à la variabilité des conditions expérimentales. Les écarts de température de l’air admission, l’usure ou l’encrassement du moteur sont autant de facteurs menant à une dispersion des résultats d’essais d’un jour sur l’autre, et parfois même d’un essai sur l’autre. De plus, les cycles moteurs varient les uns par rapport aux autres, même en condition stabilisée. Cependant, nous nous sommes efforcés de respecter une variation (exprimée en écart-type de PMI cycle à cycle) inférieure à 3% lors de nos essais. Les différentes valeurs acquises étant moyennés sur 100 cycles ou sur 30 s, on émettra l’hypothèse que cette légère variation peut être négligée.

Concernant l’incertitude associée aux mesures de polluants à l’échappement, il existe quatre sources principales d’erreur. Tout d’abord, comme nous venons de le voir, les cycles moteurs ne sont pas parfaitement répétables. De plus, il existe une incertitude sur le débit de prélèvement ainsi que sur le débit d’injection des gaz dans le chromatographe. Il faut également tenir compte de l’incertitude sur le taux de dilution de l’échantillon. En additionnant tous ces paramètres on peut estimer l’incertitude globale sur les résultats expérimentaux à environ 20%.

Afin de s’assurer de la répétabilité des mesures, des analyses de polluants ont été réalisées avec le carburant de référence sur les trois points moteurs testés au début et à la fin des essais.

• EMHC : ester méthylique d’huile de colza fournit par Oléon. Carburant majoritairement constitué d’esters méthyliques à 18 atomes de carbone contenant 1000 ppm d’additif antioxydant (BHT).

• Ethanol : Ethanol anhydre fournit par IFPEN.

Tableau V-3 : Matrice carburant testée sur moteur monocylindre Diesel

Nom Densité (à 15°C)

PCI*

(kJ.kg^-1)

Teneur en C (% mass.)

Teneur en H (% mass.)

Teneur en O (% mass.)

Indice de cétane (mesuré)

GtL 0,778 43903 84,76 15,24 / 85

GtL40B60 0,838 39554 82,39 13,14 4,47 59,5

GtL80B10E10 0,784 41520 81,09 14,64 4,27 59

GtL40B30E30 0,799 36956 74,05 13,51 12,44 42,6

*Pouvoir Calorifique Inférieur

Le GtL a servi de carburant de référence à cette étude. Comme on peut le voir dans le Tableau V-3, c’est un carburant de synthèse ayant un indice de cétane très élevé et un PCI massique important ce qui en fait un carburant particulièrement adapté pour une application en moteur à allumage par compression. Le mélange GtL40B60 a été obtenu en mélangeant 40% vol. de GtL avec 60% vol. d’EMHC. Le mélange GtL80B10E10 est un mélange ternaire contenant 10% vol. d’EMHC et 10% vol. d’éthanol. Les carburants GtL40B60 et GtL80B10E10 possèdent un indice de cétane et un rapport O/C massique très proches. La comparaison des résultats obtenus avec ces deux mélanges permet donc d’étudier l’impact spécifique de l’éthanol sur la combustion Diesel. Le dernier carburant étudié au cours de cette étude est un mélange contenant 40% vol. de GtL, 30% vol. d’EMHC et 30% vol. d’éthanol.

La forte teneur en éthanol de ce mélange entraine une baisse importante de l’indice de cétane et du PCI. Il est important de préciser que le mélange GtL40B30E30 ne respecte pas les spécifications fixées par la commission européenne pour le gazole (notamment du fait de son indice de cétane très faible). Son étude nous a néanmoins permis de comprendre l’impact d’un carburant fortement enrichi en éthanol sur la combustion Diesel.

3.2 Conditions expérimentales

Afin de pouvoir étudier l’impact de la formulation sur l’initiation et le déroulement de la combustion, les points de fonctionnement suivants ont été étudiés :

• Régime moteur de 1500 tr/min – PMI de 3 bar

• Régime moteur de 2500 tr/min – PMI de 6 bar

• Régime moteur de 2000 tr/min – PMI de 11 bar

Afin de faciliter la compréhension et la simulation de nos cas moteur, tous les essais ont été réalisés en mono-injection. Ce fonctionnement n’est pas représentatif des stratégies

actuelles d’injection sur moteur Diesel, où l’on arrive fréquemment à 4 injections par cycle.

La portée des résultats que nous allons détailler dans ce qui suit est donc restreinte à un cadre académique, où la volonté de compréhension des phénomènes prime sur le reste. L’auteur ne peut en aucun cas garantir que les tendances observées seraient extrapolables à une stratégie de combustion en multi-injection.

Les quatre carburants étudiés ayant des densités énergétiques très différentes, nous avons décidé d’étudier leur combustion à iso-quantité d’énergie injectée. Pour cela, la durée d’injection a été adaptée à chacun des carburants étudiés en fonction de son PCI et de sa densité de manière à conserver un débit d’énergie introduite constant (Qcarb en kJ/h).

Pour chaque point de fonctionnement, la combustion du GtL a été étudiée puis optimisée afin de trouver la meilleure consommation spécifique indiquée possible. Les autres carburants ont ensuite été testés en conservant le maximum de réglages du moteur constants par rapport aux réglages optimisés du GtL: avance à l’injection (AVI), quantité d’énergie injectée, pression rail (Prail), température à l’admission (T2), pression à l’admission (P2), pression à l’échappement (P3). Cela nous a permis d’étudier l’influence de la formulation du carburant sur le fonctionnement du moteur à iso-réglage.

Ensuite, nous avons étudié l’effet du phasage de l’injection et du taux de dilution sur la combustion des quatre carburants en faisant varier l’avance à l’injection (±2 et ±4°V par rapport au point de réglage optimal du GtL) ainsi que le taux d’EGR (0 à 30 % par pas de 10

%). Les paramètres fixés pour chaque point de fonctionnement étudié sont recensés dans le Tableau V-4.

Tableau V-4 : Points de fonctionnements Régime moteur

(tr/min)

PMI (bar)

AVI (°V)

EGR (% vol.)

Prail (bar)

P2 (bar)

P3 (bar)

T2 (°C)

Qcarb (kJ.h^-1)

1500 3 6 ±2, ±4 0-30 600 1,05 1,15 50 16640

2500 6 18 ±2, ±4 0-30 700 1,4 1,5 50 50970

2000 11 14 ±2, ±4 0-30 1000 1,6 1,7 50 77490

Enfin, pour les quatre carburants testés, des optimisations ont été réalisées afin de trouver le meilleur compromis NOx/fumées sur chaque point de fonctionnement. La démarche d’optimisation utilisée tout au long de cette étude consiste à obtenir la valeur minimale de consommation spécifique indiquée (CSI) tout en respectant les objectifs cibles pour les émissions de fumées et de NOx. Pour cela, la CSI a été minimisé pour chacun des carburants par recalage de l’avance injection. Puis le meilleurs compromis NOx/fumées a été trouvé par variation du taux de recirculation des gaz brûlés. Le Tableau V-5 recense les

valeurs seuils fixées concernant les émissions de NOx et de fumées pour chacun des points de fonctionnement étudiés.

Tableau V-5: Valeurs cibles NOx/fumées pour chaque point de fonctionnement Régime

(tr/min)

Charge (bar)

Cible NOx (g/kWh)

Cible fumées (FSN)*

1500 3 < 0,5 < 0,5

2500 6 < 0,75 < 2

2000 11 < 1,5 < 3

*Filter Smoke Number

Le bruit de combustion n’a quant à lui pas été limité de façon contraignante dans notre méthodologie d’essais. Or, le bruit est un critère à respecter de façon non négociable lors de la mise au point d’un moteur pour des raisons évidentes d’image de marque et de respect de la législation. Ce choix est donc critiquable, d’autant plus que les critères de bruit sont parmis les plus difficiles à atteindre lors du processus de calibration des moteurs. Cependant, comme nous nous situons ici dans une étape très en amont de la mise au point d’un moteur, nous avons choisi de nous laisser ce degré de liberté supplémentaire afin de pouvoir réaliser nos investigations sur l’influence des propriétés des carburants.

3.3 Présentation des résultats

Figure V-1 : Représentation du dégagement d’énergie et de la fraction brûlée

Pour chaque carburant, les degrés vilebrequin correspondant au CA10 (degré vilebrequin pour lequel 10 % du carburant a été brûlé) au CA50 (degré vilebrequin pour lequel la moitié du carburant a été brûlé) et au CA90 (degré vilebrequin pour lequel 90 % du

carburant a été brûlé) ont été relevés (cf. Figure V-1). En effet, ces valeurs donnent de bonnes indications de l’avancement de la combustion :

• CA10-AVI : le temps écoulé entre le phasage de l’injection et l’instant où 10% du carburant est brûlé donne une bonne représentation du délai d’auto-inflammation du carburant.

• CA90-CA10 : le temps écoulé entre le CA10 et le CA90 représente la durée de combustion.

Pour l’ensemble des Figures à venir, l’angle 0°V correspondra au point mort haut de fin de compression.