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Combustion dans les moteurs Diesel

par Alain HAUPAISIngénieur de l’École Centrale de Lyon Docteur ès Sciences Président Directeur Général du Centre de Recherches en Machines Thermiques (CRMT)

ien que le moteur Diesel soit centenaire, il est en constante et forte évolution,à la fois du fait d’une meilleure connaissance des phénomènes impliqués

et d’une exigence croissante de performances, de faible consommation et de réduction des émissions de polluants. Les performances et les niveaux de

1. Fonctionnement d’un moteur Diesel.................................................. B 2 700 - 2

2. Cycles des moteurs Diesel .................................................................... — 32.1 Grandeurs représentatives ......................................................................... — 32.2 Diagrammes des cycles et combustion..................................................... — 4

3. Auto-inflammation................................................................................... — 63.1 Mécanisme d’auto-inflammation ............................................................... — 63.2 Délai d’allumage.......................................................................................... — 63.3 Indice de cétane........................................................................................... — 7

4. Mécanisme de mélange turbulent....................................................... — 74.1 Jet libre turbulent ........................................................................................ — 74.2 Jets déviés par un swirl .............................................................................. — 11

5. Formation de polluants .......................................................................... — 125.1 Caractères spécifiques de la combustion turbulente ............................... — 125.2 Réactions de dissociation thermique......................................................... — 135.3 Formation du monoxyde de carbone ........................................................ — 135.4 Formation des oxydes d’azote.................................................................... — 135.5 Formation des suies .................................................................................... — 145.6 Formation des hydrocarbures imbrûlés.................................................... — 16

5.7 Particules solides......................................................................................... — 175.8 Autres polluants........................................................................................... — 17

6. Moteurs à injection directe................................................................... — 186.1 Moteurs à chambre ouverte ....................................................................... — 186.2 Moteurs à chambre fermée ........................................................................ — 20

7. Moteurs à injection indirecte ou à préchambre.............................. — 247.1 Formes usuelles........................................................................................... — 247.2 Injecteur à téton........................................................................................... — 257.3 Particularités sur le plan combustion ........................................................ — 267.4 Comparaison injection indirecte-injection directe.................................... — 27

8. Autres types de chambres de combustion ....................................... — 278.1 Procédé M .................................................................................................... — 288.2 Chambre à réserve d’air.............................................................................. — 28

9. Procédés particuliers de réduction des émissions de polluants — 299.1 Oxydes d’azote............................................................................................. — 299.2 Particules solides......................................................................................... — 30

10. Conclusions ............................................................................................... — 33

Références bibliographiques ......................................................................... — 33


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pollution obtenus sur les moteurs récemment commercialisés ou en cours de développement auraient très certainement, il y a 20 ou 30 ans, été réputés comme infaisables par les meilleurs diésélistes.

Deux grandes familles de moteurs émergent : — les moteurs à injection directe , qui donnent des consommations plus faibles,

des émissions d’oxydes d’azote plus élevées. Ils sont de loin les plus répandus pour les applications stationnaires, de propulsion navale et pour les moteurs de véhicules poids lourds et utilitaires. Leur utilisation dans les véhicules de tourisme est récente et encore rare, du fait de difficultés à les faire fonctionner sur une très large plage de régimes ;

— les moteurs à injection indirecte, qui sont actuellement largement majori- taires pour les applications aux véhicules de tourisme, du fait d’une puissance massique plus élevée, d’un système d’injection moins coûteux et de bonnes performances sur une large plage de régimes. La consommation plus élevée les a progressivement fait disparaître pour les applications industrielles et les poids lourds.

1. Fonctionnementd’un moteur Diesel

Quel que soit le type de moteur Diesel considéré, nous avonsaffaire à :

— un allumage par compression, éventuellement assisté par desartifices (par exemple, réchauffage de l’air admis ou bougie depréchauffage) ;

— une combustion par diffusion , c’est-à-dire une introductionséparée de l’air et du combustible dans le cylindre et une combustionpilotée par le mélange air + combustible.

Que le moteur fonctionne en 2 temps ou en 4 temps, qu’il soitsuralimenté ou non, le cylindre est rempli à chaque cycle d’air frais,sans limitation volontaire du remplissage par un papillon. Cet airest comprimé avec un rapport volumétrique élevé de façon à obtenir,

malgré les pertes thermiques aux parois, une température de fin decompression supérieure à la température d’auto-inflammation ducombustible utilisé.

Au voisinage du point mort haut (PMH), le combustible estinjecté sous forme d’un ou plusieurs jets, avec une vitesse et unepression suffisantes pour qu’il soit très finement pulvérisé. L’airchaud se mélange au combustible introduit, l’échauffe et le vapo-rise. Lorsque les conditions de température et de temps de séjoursont atteintes en un point particulier du jet, celui-ci s’enflamme, etla combustion se propage très rapidement à l’ensemble du jet. Lacombustion se poursuit au fur et à mesure que les mécanismes demélange utilisés provoquent la rencontre à échelle moléculaire ducombustible et de l’oxygène contenu dans l’air.

Le mécanisme de mélange entre l’air et le combustible introduitest donc capital, tant pour la combustion proprement dite que pourla phase initiale d’échauffement du combustible jusqu’à sonauto-inflammation.

La figure 1 montre la succession de ces phénomènes filmés parcinématographie rapide dans un moteur Diesel de laboratoire.

Figure 1 – Combustion d’un jet de fioul dans un moteur Diesel (doc. CRMT)


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2. Cycles des moteurs Diesel

2.1 Grandeurs représentatives

Pour décrire les cycles des moteurs, nous faisons appel auxgrandeurs suivantes, qui permettent de comparer les moteurs ens’affranchissant de leur taille.

La consommation spécifique CS est le rapport entre laconsommation de combustible et la puissance produite. Elles’exprime en g/(kW · h) ou en g/(ch · h). Cette notion peut se référerà la puissance effectivement disponible sur l’arbre du moteur, c’estla consommation spécifique effective CS e , ou à la puissanceindiquée sous le nom de consommation spécifique indiquée CS i .

La consommation spécifique ne prend pas en compte le pouvoircalorifique du combustible utilisé, contrairement au rendement quireprésente le rapport inverse. Avec les combustibles usuels, unrendement de 50 % correspond à une consommation spécifique de170 g/(kW · h) environ.

Les consommations spécifiques des meilleurs moteurs degrande taille peuvent descendre à 160 g/(kW · h). Pour les moteurs

de poids lourds, les meilleurs points de fonctionnement donnaientdes consommations de 200 g/(kW · h), sans limitation des émis-sions d’oxydes d’azote ; avec des émissions compatibles avec lesnormes, leurs consommations sont de 220 à 240 g/(kW · h).

La pression moyenne effective pme est la pression qui, si elleétait constante pendant toute la course de détente, produirait lemême travail que celui mesuré sur l’arbre du moteur.

Pour un moteur 4 temps, il y a une course de détente tous lesdeux tours d’où :

pme × surface du piston × course = 4 π × couple

et pour un moteur 2 temps, il y a une course de détente à chaquetour :

pme × surface du piston × course = 2 π × couple

Pour un moteur Diesel à injection directe non suralimenté, la pme maximale est de l’ordre de 7 à 7,5 bar alors que, pour un moteurDiesel de tourisme à injection indirecte et non suralimenté, la pme maximale est de 8 à 8,5 bar. La suralimentation permet une pme de16 bar pour les moteurs de poids lourds, de 25 bar pour les grosmoteurs marins ou stationnaires. Pour les applications militaires, desmoteurs fonctionnant avec des pme de l’ordre de 50 bar sontaujourd’hui en cours de développement.

La pression moyenne indiquée pmi se calcule comme la pme ,mais en se référant au travail indiqué produit par les gaz sur la facesupérieure des pistons.

La pression moyenne résistante pmr est l’écart entre la pmi et la pme , tel que pmr = pmi – pme.

Au régime maximal d’un gros moteur ou d’un moteur de poidslourd, la pmr est usuellement comprise entre 2,2 et 2,7 bar. Ellecorrespond aux pertes de diverses natures :

— frottements internes et puissance nécessaire pour entraîner

les auxiliaires (pompes, ventilateur, etc.) ;— pertes pneumatiques ou pertes par pompage : travaux résis-

tants nécessaires pour expulser les gaz brûlés et pour admettre l’airfrais.

Dans le cas de moteurs à aspiration naturelle, les pertes par pom-page donnent toujours lieu à un travail résistant. Dans certains casde suralimentation, l’admission d’air frais peut se faire, pendant lacourse descendante, avec une pression dans le cylindre supérieureà celle qui y règne pendant la course montante d’échappement. Lecycle de renouvellement de gaz donne alors un travail moteur, cequi correspond à des pertes par pompage négatives.

En pratique, la pmr d’un moteur donné croît avec le régime defonctionnement mais, pour un régime donné, elle varie peu enfonction de la charge.

Le rendement mécanique du moteur ρ m est le rapport entrela puissance disponible sur l’arbre et celle produite à l’intérieur descylindres, soit :

Pour un moteur non suralimenté, une pme de 7,5 bar et une pmr de 2 ,5 bar conduisent à un rendement mécanique de7,5/(7,5 + 2,5) = 75 %.

Le fait de suralimenter ce moteur avec un turbocompresseurpermet d’atteindre des pme de 16 ou 25 bar, selon la taille du moteur,sans modifications appréciables de la pmr.

Les rendements mécaniques passent alors à 16/(16 + 2,5) = 86 %ou à 25/(25 + 2,5) = 91 %.

Si la combustion est bien maîtrisée, l’accroissement de la pme sefait sans augmentation de la consommation spécifique indiquée.

Les forts niveaux de suralimentation permettent donc à la foisd’accroître la puissance d’un moteur de taille donnée et d’améliorersignificativement son rendement. Ces deux types de gain expliquentla généralisation de la suralimentation par turbocompresseur et sonévolution vers des niveaux de suralimentation croissants.

Le remplissage du moteur : toutes choses égales par ailleurs,au niveau de la loi de dégagement d’énergie et des émissions defumées admises, la quantité de combustible brûlable sur un cycleet la pmi résultante sont directement proportionnelles à la quantitéd’air admise par le moteur.

Si nous partons d’un moteur qui donne une pme de 7,5 bar, avecune pmr de 2,5 bar et un rendement mécanique de 75 %, le fait deréduire de 10 % la quantité d’air admise réduira directement sapuissance et sa pme de 10 %. Son rendement mécanique sera de :

(7,5 × 0,9)/[(7,5 × 0,9) + 2,5] = 73 %

soit une augmentation de la consommation de 2,8 %, si le déroule-ment de la combustion n’est pas par ailleurs dégradé. Cela montrel’intérêt d’introduire le plus possible d’air dans les cylindres.

Pour chiffrer le remplissage des cylindres, les notions suivantes

sont utilisées. Taux de remplissage

Cette notion permet de chiffrer la qualité du processus d’admis-sion, essentiellement au niveau des soupapes et du cylindre, ens’affranchissant du fait que le moteur soit suralimenté ou non :

Deux facteurs essentiels tendent à réduire le taux de remplissagedu moteur :

— le réchauffage de l’air pendant l’admission : l’air admis est encontact avec des parois chaudes (chappelle d’admission, tête depiston, cylindre, culasse, etc.). En fin d’admission, ce réchauffageréduit sa masse volumique ;

— la perte de charge à la soupape : les vitesses de passage élevées

de l’air à la soupape d’admission provoquent une perte de chargequi réduit la pression des gaz en fin d’admission, et donc la massevolumique et la masse d’air admise. Cette perte de remplissage estd’autant plus grande que le régime moteur est élevé et que le sys-tème d’admission est peu perméable.

Un filtre à air très perméable, un dessin soigné des conduitsd’admission, l’utilisation de deux soupapes d’admission parcylindre permettent d’améliorer la perméabilité du moteur et sonremplissage en air.

Inversement, la génération d’un swirl élevé pendant la phased’admission tend à réduire la perméabilité de l’admission.

Par ailleurs, l’épure de distribution (lois de levée des soupapeset phasage de celles-ci) permet d’améliorer le remplissage du moteuren exploitant les effets d’inertie des colonnes de gaz à l’admissionet à l’échappement.

ρ mpm e pmi

---------------pmi pmr –

pm i -------------------------------- 1 pm r

pm i --------------–= = =

τ rmasse d ′air par cycle

cylindrée masse volumique au collecteur d ′admission×-------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------=


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Taux de suralimentation

L’utilisation d’un compresseur permet d’augmenter la massevolumique des gaz présents dans le collecteur d’admission et lamasse d’air admise à chaque cycle. Le taux de suralimentation est,le plus généralement, défini par :

Ce facteur global prend en compte l’effet positif d’élévation depression dû au compresseur, l’effet négatif dû à l’échauffement desgaz dans le compresseur partiellement corrigé ou non par laprésence d’un refroidisseur intermédiaire, les effets négatifs dus auréchauffage de l’air dans le cylindre et aux pertes de charge aux sou-papes d’admission.

Le fait de disposer d’une suralimentation permet dans unecertaine mesure de compenser un défaut de perméabilité del’admission par une élévation de la pression de suralimentation.

2.2 Diagrammes des cycles

et combustionLa figure 2 donne des diagrammes typiques obtenus sur des

moteurs Diesel à injection directe. Ils correspondent au tracé desgrandeurs suivantes, en fonction du temps ou de l’angle duvilebrequin :

— pression dans le cylindre : c’est le signal d’un capteur depression placé dans le cylindre, directement visible sur unoscilloscope ;

— température des gaz : elle est calculée à chaque instant par laloi des gaz parfaits pV = nRT , d’après la pression mesurée, la quantitéde gaz présente dans le cylindre et la position du vilebrequin quipermet d’accéder au volume des gaz. Ici, la température des gaz estsupposée homogène sur l’ensemble de la chambre de combustion ;

— fraction de combustible brûlée : une analyse thermo-dynamique permet de connaître la quantité de combustible brûlé à

chaque instant. La température des gaz donne à chaque instant lavariation de leur énergie interne, la pression et le déplacement dupiston donnent le travail échangé par les gaz avec l’extérieur. Si lespertes thermiques aux parois sont négligées, la somme des termesvariation d’énergie des gaz + travail échangé donne, sur le pas decalcul, le dégagement apparent d’énergie dû à la combustion. Si,moyennant une modélisation appropriée, les pertes thermiques auxparois de la chambre sont prises en compte, il s’agit alors du déga- gement vrai d’énergie . C’est le cas des diagrammes présentés ici ;

— vitesse de combustion : c’est la dérivée de la fraction brûlée(apparente ou vraie) par rapport au temps ou à l’angle vilebrequin.

Les diagrammes de la figure 2a correspondent à un gros moteurstationnaire ou marin pour lequel l’injection est réglée de manièreà obtenir le rendement maximal. Pour ce point de fonctionnement,la consommation spécifique est de 205 g/(kW · h), pour une pme de18 bar.

L’injection commence environ 15 degrés avant le PMH, ce qui faitdébuter la combustion 10 degrés avant le PMH, du fait du délaid’allumage. La combustion rapide du mélange air + fioul préparépendant le délai provoque le premier pic de la courbe de vitesse decombustion et une élévation brutale de la pression.

Le piston ne commence à se déplacer de manière appréciablequ’environ 10 degrés après le PMH. Pour avoir un rendement élevé,il importe donc d’avoir alors une pression élevée pour commencer

à produire du travail le plus tôt possible dans la course de détente.La pression maximale est ici de 150 bar environ. Elle est atteinte10 degrés après le PMH, ce qui nécessite d’anticiper le déroulementde la combustion, puisque, au PMH, la fraction brûlée est de20 % environ.

Cette anticipation de la combustion, nécessaire pour que la pres-sion soit élevée en début de détente, conduit à une pression de120 bar au PMH, alors qu’elle n’aurait été que de 90 bar s’il n’y avaitpas eu de combustion. Le travail résistant en fin de compression setrouve donc accru.

Il en résulte la notion d’avance à l’injection optimale (vis-à-vis durendement) :

— une avance trop faible fait que la pression et la fraction brûléesont trop faibles en début de détente pour produire le travailmaximal ;

— une avance trop élevée augmente le travail résistant en fin decompression pour un gain minime en travail de détente, ce quiréduit le rendement du cycle. De plus, la pression maximale ducycle croît.

Ce type de fonctionnement donne les rendements les plus élevés,il nécessite une structure de moteur qui accepte des pressions maxi-males de cycle (actuellement 180 bar pour les gros moteurs) et desgradients de pression élevés.

Pour une structure donnée de moteur, le respect de la pressionmaximale admissible conduit à réduire son rapport volumétriqueau fur et à mesure que le niveau de suralimentation croît. Cettecombustion, optimale du point de vue rendement, conduit à destempératures maximales de cycle élevées qui provoquent des for-mations importantes d’oxydes d’azote. L’apparition de normeslimitant les émissions d’oxydes d’azote pour les moteurs de poidslourds a conduit à retarder la combustion pour réduire les tempé-ratures maximales des gaz.

La figure 2b donne les diagrammes correspondant à un réglagemoyennement dépollué du moteur de poids lourds suralimenté.

La combustion débute ici près du PMH. La courbe de vitesse decombustion montre toujours un premier pic dû à la combustionrapide du prémélange formé pendant le délai, mais la courbe de

pression dans le cylindre montre un gradient de pression modéréqui se traduit par un bruit de combustion nettement plus faible.

Pour ce point de fonctionnement en charge partielle avec unepme de 9,5 bar, la pression maximale de cycle est de 80 bar pourune pression de fin de compression de 60 bar.

La température maximale des gaz atteint 1 600 K, ce qui permetd’obtenir à l’échappement des concentrations en oxydes d’azote de1 000 ppm, alors qu’un réglage d’avance fait pour le rendementoptimal aurait donné des concentrations voisines de 2 000 ppm.Cette combustion tardive donne une consommation de220 g/(kW · h).

En retardant encore l’injection, on obtient, avec la même loi dedégagement d’énergie, le diagramme en tireté de pression dans lecylindre de la figure 2b . La combustion a lieu avec des pressionsinférieures à celles de fin de compression. Les émissions d’oxydesd’azote passent de 1 000 à 600 ppm, mais la consommation croît

de 220 à 235 g/(kW · h). Ce type de réglage tend à se généralisersur les moteurs de poids lourds à injection directe du fait des régle-mentations limitant les émissions d’oxydes d’azote.

Ces réglages à combustion retardée sont généralisés sur lesmoteurs Diesel pour véhicules de tourisme, à la fois pour réduirele bruit et leurs émissions d’oxydes d’azote.

τ sural masse d ′air par cyclecylindrée masse volumique atmosphérique×--------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------=


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Figure 2 – Diagrammes des cycles des moteurs Diesel marin et de poids lourds à injection directe (mesures CRMT)


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3. Auto-inflammation

Nota : le lecteur se reportera utilement à l’article Les carburants et la combustion [B 2 520] dans ce traité.

3.1 Mécanisme d’auto- inflammation

Si le mélange de combustible et d’air se trouve exposé à une tem-pérature progressivement croissante, il s’enflamme spontanémentlorsqu’une température seuil est dépassée. C’est le mécanismed’auto-inflammation. Cette température seuil est dite températured’auto-inflammation, souvent notée TAI.

Sans rentrer dans les détails compliqués de ce mécanisme chi-mique complexe, on peut le décrire qualitativement de la manièresuivante :

— pour des températures encore inférieures à la TAI, le combus-tible mélangé à l’air s’oxyde pour donner des peroxydes dont laconcentration croit avec la température ;

— à partir du moment où une concentration critique en peroxydesest atteinte, les réactions chimiques deviennent instables. Par unmécanisme de réactions en chaîne, elles s’emblallent pour donnerune combustion vive.

La température qui donne lieu à l’emballement des réactions esttrès variable selon la nature du combustible et sa structuremoléculaire.

La TAI peut être fortement modifiée par la présence de petitesquantités d’additifs. Des composés nitrés ou des peroxydes intro-duisent des molécules déjà oxydées et peu stables qui abaissentsensiblement les TAI. Ils peuvent être utilisés pour améliorerl’aptitude à l’auto-inflammation des gazoles (additifs procétane),mais ils peuvent poser des problèmes de stabilité lors du stockagedu combustible. Inversement, la présence d’halogènes retardel’apparition des réactions en chaîne, ce qui relève très sensiblementla TAI. C’est le principe de fonctionnement des extincteurs à hydro-

carbures halogénés.Les TAI de quelques composés classiques sont données

ci-dessous [10] : (0)

Ces quelques valeurs montrent la grande variabilité de la TAI.Les structures linéaires des n -paraffines donnent des TAI trèsfaibles alors que les structures ramifiées des isoparaffines donnentdes TAI très élevées.

3.2 Délai d’allumage

Dans le cas du moteur Diesel, l’auto-inflammation n’est pas ins-tantanée, comme le montre nettement la figure 1. Le laps de tempsqui s’écoule entre le début de l’injection et l’apparition de laflamme est appelé délai d’inflammation.

Plusieurs phénomènes ont lieu pendant le délai d’allumage :— le combustible est injecté à une température faible (30 à 80 oC)

dans les gaz dont la température est élevée par compressionau-dessus de la TAI ;

— le mélange entre les gaz chauds et le jet de combustibleéchauffe les goutellettes jusqu’à leur température d’ébullition,

apporte la chaleur nécessaire pour former de la vapeur de combus-tible et pour échauffer celle-ci au voisinage de la TAI. Cette premièrephase correspond à la partie physique du délai d’allumage où lestempératures sont trop faibles pour que les réactions d’oxydationpuissent avoir lieu de manière appréciable ;

— lorsque de la vapeur atteint des températures supérieures à la

TAI, un petit laps de temps est encore nécessaire pour que laconcentration critique en peroxydes puisse être atteinte et provoquerl’inflammation. Cette seconde phase est liée essentiellement auxphénomènes chimiques ;

— l’allumage a lieu en périphérie du jet, en un ou plusieurs points,là où les concentrations critiques en peroxydes sont d’abordatteintes. Au voisinage de ce point, les concentrations en peroxydessont proches du seuil critique. La chaleur dégagée par la combustiond’un premier point permet donc très rapidement d’enflammer sonvoisinage immédiat qui est presque prêt à s’enflammerspontanément ;

— cela explique que la flamme se propage très rapidement, en1 à 2 degrés vilebrequin, à l’ensemble du jet.

Il n’existe pas de frontière nette entre les phases physiques etchimiques du délai ; seules des valeurs du délai total peuvent êtredonnées.

Pour un gazole standard (indice de cétane = 50), nous obtenons,sur moteur, les valeurs suivantes du délai d’allumage :• T gaz = 370

oC, pas d’allumage, délai supérieur à la durée ducycle moteur

• T gaz = 390oC, délai = 1,6 ms




Pour des températures supérieures à 600 oC, les délais sont infé-rieurs à 0,4 ms.

Malgré la complexité des phénomènes chimiques impliqués et laprésence des phénomènes physiques d’échauffement et de vapo-risation, le délai d’allumage peut se décrire en première approxi-mation par une formule du type Arrhénius qui revient implicitementà une réaction chimique unique :

avec T et p température et pression des gaz pendant le délai.

L’existence de ce délai d’allumage peut avoir des conséquenceslourdes sur le fonctionnement du moteur, s’il représente un tempsnon négligeable des cycles moteur.

Pour les moteurs Diesel des véhicules de tourisme, les régimesmaximaux sont de l’ordre de 4 500 tr/min. Un délai d’allumage de1 ms correspond à un angle de rotation du vilebrequin de 27 degrés.Ce temps représente plus de la moitié de la durée d’injection à pleinecharge.

Si l’injection se fait à débit constant, une fraction importante ducombustible est introduite dans la chambre pendant le délai, pré-mélangée à de l’air, ce qui provoque au moment de l’inflammationune libération élevée et quasi instantanée d’énergie. Il en résulteune élévation brutale de la pression dans le cylindre et un bruittypique désagréable, dit cognement.

Si le délai est long, les faibles dimensions des chambres decombustion des petits moteurs amènent à ce que les jets de combus-tible atteignent les parois avant que la combustion ait pu aider àles vaporiser. Le combustible liquide ainsi déposé sur les parois brûletrès mal, ce qui conduit à des émissions d’hydrocarbures imbrûléspolluants et odorants.

L’importance du délai d’allumage sur le déroulement de lacombustion conduit à utiliser, pour les moteurs Diesel rapides, dugazole, dont l’aptitude à l’auto-inflammation est spécifiée sousforme de l’indice de cétane .

hydrogène 570 oC méthane 580 oC

n- butane 420 oC isobutane 420 oC

n -octane 220 oC isooctane 670 oC

délai AeB T ⁄

p n ------------=


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À l’opposé, si nous prenons un moteur de grande taille tournantà 500 tr/min, un délai de 1 ms correspondra à une rotation de3 degrés du vilebrequin et à l’injection de moins de 10 % ducombustible.

Un allongement du délai aura peu de conséquences sur ledéroulement de la combustion. Ces moteurs peuvent fonctionnercorrectement avec des combustibles tels que les fiouls lourds et lesfiouls résiduels, moins chers que le gazole.

Les spécifications réglementaires de ces combustibles neprécisent rien sur leur indice de cétane.

En l’absence de spécifications, il arrive parfois que les fioulsrésiduels aient des aptitudes à l’auto-inflammation si mauvaises quele bon fonctionnement du moteur et sa longévité se trouventcompromis.

3.3 Indice de cétane

Sur un moteur, les gaz présents dans la chambre sont constituésd’air frais et de gaz brûlés résiduels du cycle précédent qui affectentla température du mélange. Il n’est possible d’accéder à la tempé-

rature absolue des gaz en fin de compression que dans desconditions d’essai particulières et en faisant appel à des moyensd’acquisition et de traitement informatique du signal.

Bien avant que ces moyens existent, il a été nécessaire de quan-tifier l’aptitude à l’auto-inflammation des combustibles pourmoteurs Diesel : cela se fait sous forme de l’indice de cétane, parune procédure d’essai qui n’est pas absolue, mais qui est repro-ductible et normalisée (norme NF M 07-035 de janvier 1985).

Les essais sont faits sur un moteur Diesel normalisé CFR, à tauxde compression variable.

Le délai d’allumage du combustible à tester est déterminé dansdes conditions normalisées, par rapport à des mélanges de cétane(n -hexadécane) et de α-méthylnaphtalène. Le cétane, qui s’enflammefacilement, a un indice 100, le α- méthylnaphtalène, qui s’enflammedifficilement, a un indice 0. L’indice de cétane du combustibletesté [1] est défini comme la proportion de cétane dans ce mélangebinaire qui donne, dans les conditions d’essai normalisées, le mêmedélai d’allumage.

Actuellement, le gazole civil français a un indice de cétane minimalde 50, le gazole militaire un indice minimal de 48.

L’indice de cétane du fioul domestique n’est pas spécifié demanière réglementaire. Pour des raisons fiscales, ce combustibleest utilisé en remplacement du gazole dans des moteurs Diesel depetite et moyenne tailles pour des utilisations autres que sur route(machines agricoles, engins de chantier, groupes électrogènes,marine, etc.).

En pratique, les pétroliers fournissent des fiouls domestiquesdont l’indice de cétane est de l’ordre de 48 à 50, sans toutefois quecette qualité puisse être garantie.

Il faut signaler que les gazoles disponibles aux États-Unis ont demanière générale des indices de cétane nettement plus faibles que

les gazoles européens. Cela pose de sérieux problèmes de fonc-tionnement aux moteurs Diesel pour véhicules de tourisme,d’ailleurs très peu répandus sur ce marché.

Deux ouvrages [2] [3] apportent des informations détaillées surles combustibles, leurs propriétés, les procédés de fabrication, lesméthodes d’essai, etc.

4. Mécanisme de mélangeturbulent

4.1 Jet libre turbulent

4.1.1 Structure du jet

Étudions d’abord en détail la configuration géométrique la plussimple qui est celle dite du jet libre, c’est-à-dire un jet de combus-tible issu d’un trou unique, injecté dans de l’air immobile et sanseffets perturbateurs des parois.

Les conditions usuelles d’injection (vitesse , diamètrede trou ) sont telles que le jet issu de l’injecteur esttoujours turbulent. La structure du jet libre turbulent est schématiséesur la figure 3.

Même en l’absence de turbulence préexistante dans le trou, celle-cinaît sur le bord du jet immédiatement en sortie de l’injecteur. Lacouche turbulente s’épanouit avec un demi-angle au sommet voisinde 7 degrés. La turbulence née en sortie de l’orifice rejoint l’axe dujet après un parcours légèrement supérieur à 4 fois le diamètre dutrou. C’est la zone dite de cône ou corps potentiel .

Après une zone de transition dont la longueur est égale à2 diamètres environ apparaît la zone d’affinité établie qui a lescaractéristiques suivantes :

— un angle d’épanouissement de l’ordre de 27 degrés ;— dans cette zone, les phénomènes radiaux de mélange de

masse et de quantité de mouvement sont pilotés par les mouve-ments turbulents, qui sont eux-mêmes proportionnels à la vitesseaxiale du jet qui les a engendrés ;

— cette proportionnalité entre la vitesse motrice axiale et lesphénomènes radiaux résultants explique cette similitude des pro-fils qui facilitera grandement la description du jet libre ;

— les profils radiaux de vitesse et de concentration sont décritspar les fonctions affines.

Figure 3 – Structure d’un jet libre turbulent

v 80 msd 0,2 mm


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4.1.2 Phénomènes physiquesmajeurs et secondaires

Pour une description à échelle macroscopique d’un jet libre tur-bulent, applicable à la combustion Diesel, de nombreuses étudesthéoriques et expérimentales ont permis de dégager les phéno-mènes physiques majeurs ou négligeables suivants :

— les phénomènes de mélange de masse et de quantité de mou-vement sont les mêmes, que le jet soit monophasique oudiphasique ;

— le mélange turbulent crée dans le jet une dépression parrapport au milieu ambiant. Cette dépression assure l’aspiration

defluide ambiant. Si le jet passe près d’une paroi, cette dépressionpeut aussi provoquer un collage

du jet plus ou moins stable ;

— le mélange entre le jet et le milieu ambiant se fait sur la surfacelatérale du jet, le mélange sur la partie frontale est négligeable ;

— les phénomènes de mélange laminaire sont totalementnégligeables devant ceux de nature turbulente, ce qui rend lecomportement du jet indépendant de la viscosité du fluide ambiantou de celle du fluide injecté.

4.1.3 Description quantitativedu jet libre sans combustion

La pénétration dans un fluide donné d’un jet turbulent libre, nonenflammé, mono- ou diphasique, est décrite par la formule :

x

= 2,4 (

v

eq

d

eq

t

)

1/ 2

(1)

avec

d

eq

(m) diamètre équivalent,

t

(s) temps écoulé depuis le début d’injection,

x

(m) pénétration du jet à l’instant t

,

v

eq

(m/s) vitesse équivalente.

La vitesse équivalente v

eq

est introduite pour prendre en compteles variations de vitesse d’injection pendant la durée d’observationdu phénomène. Elle est définie à partir de la poussée moyenne du

jet entre le début d’injection et l’instant d’observation par :

(2)

Le diamètre équivalent prend en compte l’écart de masse volu-mique entre le fluide injecté et le fluide ambiant. Il est défini par :

d

eq

= d

eff

(

ρ

f

/

ρ

a

)

1/2

(3)

avec

d

eff

diamètre effectif du trou,

ρ

a

masse volumique du fluide ambiant,

ρ

f

masse volumique du fluide injecté.

L’entraînement massique du jet est donné par la formule deRicou et Spalding [4] :

(4)

avec débit masse (fluide injecté + fluide entraîné) dans unetranche du jet d’abcisse x et débit masse de fluide injecté.

La figure 4a montre la bonne correspondance entre les pénétra-tions mesurées et celles données par la formule (1), dans le cas dejets de gaz monophasiques, à masses volumiques différentes,injectés à vitesse constante.

La figure 4b obtenue avec un système d’injection réel, en injectantdu fioul dans de l’air atmosphérique, montre la validité de la for-mulation proposée, pour un jet diaphasique, avec une forte diffé-rence de masse volumique entre le fioul injecté et l’air ambiant. Les

variations de la vitesse instantanée d’injection provoquent les cas-sures de la courbe de pénétration, visibles aussi bien sur les pointsde mesure que sur la pénétration calculée.

Les lois de pénétration du jet libre résultent directement dumélange de masse entre le fluide injecté et le fluide ambiant.

La force de traînée aérodynamique appliquée au jet estnégligeable, il conserve donc sa quantité de mouvement initiale.

La figure 5 montre, dans la zone d’affinité établie d’un jet libreturbulent et à des distances variées de l’injecteur, la similitude desprofils radiaux de concentration en fluide injecté. Ils sont donnésdans une représentation normalisée par : rayon/distance à l’injecteurpour les abscisses, concentration au rayon r /concentration sur l’axepour les ordonnées.

La turbulence mélange le fluide ambiant au jet au travers de sasurface latérale. Le mélange frontal à la pointe du jet est totale-ment négligeable.

Cette introduction latérale de fluide ambiant donne, auxcontours des zones isoconcentration, les formes typiques visiblessur la figure 6.

v eq2

1T = 0

T

v t ( )2dt

m˙

0,32=

m˙

0 x d eqṁ

ṁ0

Figure 4 – Pénétration du jet libre


9/33



Dans la zone d’affinité établie, la concentration en fluide injecté,sur l’axe du jet, est inversement proportionnelle à la distance par-courue, comme le montre la figure 7. La concentration sur l’axed’un jet libre sans combustion est donnée par C = 6,3 d eq / x.

Pour les hydrocarbures usuels, le rapport stœchiométrique estvoisin de 15 g d’air/g de HC. Il faudrait donc un parcours de15 × 6,3 × d eq = 94 d eq pour apporter sur l’axe du jet la quantité d’airnécessaire pour assurer la combustion complète du produit injecté,si la combustion n’avait pas d’effets perturbateurs.

4.1.4 Vaporisation du jet libre diphasique

Dans les moteurs Diesel, le mélange de masse entre les gazéchauffés par compression et le fioul injecté est responsable de lavaporisation de ce dernier et de son auto-inflammation.

La figure 8 illustre le mécanisme de vaporisation d’un jet. Nousavons effectué ces prises de vues sur un moteur Diesel en utulisantune technique de doubles images synchrones :

— l’image orange, obtenue par absorption de lumière , matéria-lise le noyau du jet qui contient du fioul liquide ;

— l’image bleue, obtenue par ombroscopie , matérialise lecontour de la vapeur de fioul dont l’indice de réfraction est forte-ment différent de celui de l’air qui l’entoure.

La forme du noyau liquide est très proche de celle des zones iso-concentration de la figure 6.

La vaporisation complète du fioul a lieu lorsque les gaz chaudslui ont apporté une quantité de chaleur suffisante. La limite d’exis-tence du liquide correspond donc à une concentration massique enair d’autant plus faible que la température de celui-ci est élevée.

La figure 9 donne les pénétrations du jet de fioul vaporisé et dunoyau liquide.

Près de l’injecteur, la quantité de gaz chauds mélangés au jet esttrop faible pour produire une vaporisation significative sur l’axe du

jet. Le liquide et la vapeur ont la même pénétration.Après un certain parcours, la quantité de chaleur apportée sur

l’axe du jet est suffisante pour provoquer la vaporisation complètedu fioul, le noyau liquide s’arrête.

Lorsque l’allumage a lieu, un même mélange massique fioul /gazapporte au jet une quantité de chaleur beaucoup plus importante.La longueur du noyau liquide est réduite dans un rapport de 2 à 3.

4.1.5 Influence de la combustion sur le jet libre

La combustion provoque une dilatation des gaz présents dans lejet. La dépression régnant dans le jet se comble donc partiellementpar l’expansion en volume des gaz brûlés, au détriment du mélangeavec l’air ambiant.

La figure 10 illustre ce phénomène sur une flamme turbulentedécrochée , c’est-à-dire avec une vitesse d’injection du gaz qui esttrop élevée pour que la flamme puisse remonter à contre-courantjusqu’à l’injecteur.

Dans la partie initiale, les jets de gaz progressent à même vitesseet se mélangent de la même manière avec l’air ambiant que lacombustion ait lieu ou non plus loin en aval.

Dans la zone de combustion rapide du prémélange formé avantallumage, le jet progresse à vitesse constante, ce qui confirmel’absence de mélange avec l’air ambiant.

Une fois que le prémélange accumulé sur la partie froide a finide brûler, le jet enflammé a un comportement très proche de celuidu jet froid.

Figure 5 – Profil radial de concentration dans un jet libre [5]

Figure 6 – Forme des zones isoconcentration pour un jet libre

Figure 7 – Concentration en fluide injecté sur l’axe d’un jet libresans combustion butane/air (mesures CRMT)


10/33



Un jet turbulent de propane brûlant dans de l’air atmosphériqueprogresse de 7 % plus vite que le jet froid correspondant.

La figure 11 montre la variation de pénétration d’un jet dans unmoteur Diesel, avant et après l’allumage. Dans les conditionstypiques du moteur Diesel, la combustion augmente la vitesse depénétration du jet enflammé de 5 % environ par rapport au mêmejet froid.

Hormis lors de la combustion rapide d’un prémélange forméavant allumage, la pénétration d’une flamme turbulente libre estdonc voisine de celle d’un jet froid.

Si, en termes de pénétration, la combustion a peu d’influence, iln’en est pas de même pour les concentrations en produit injecté.

La figure 12 donne la comparaison entre les concentrations enproduit injecté mesurées sur l’axe d’un jet froid et d’un jetenflammé. Dans la zone où il y a combustion, la concentration enproduit injecté sur l’axe du jet est décrite par C = 13,8 d eq / x , alorsque nous avons pour un jet froid C = 6,3 d eq / x .

Figure 8 – Noyau liquide et phase vapeur d’un jet libre diphasique (doc. CRMT)

Figure 9 – Pénétration du liquide et de la vapeurdans un jet de moteur Diesel

Figure 10 – Pénétration d’un jet froid et d’une flamme de propane(mesures CRMT)


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Le mélange sur l’axe du jet se trouve donc réduit d’un facteur de2,2. La longueur de 94 d eq qui aurait été nécessaire, à froid, pourapporter sur l’axe du jet nécessaire à la combustion se trouve donc,du fait de celle-ci, portée à 2,2 × 94 = 207 d eq . Cette valeur estconfirmée par les analyses chimiques faites dans ces flammes libresturbulentes : la combustion complète d’un gazole usuel nécessite un

parcours de 210 à 220 fois le diamètre équivalent de l’injecteur.Aucune chambre de combustion de moteur n’offre un tel parcourslibre. Il y aura donc toujours interaction entre la flamme et les parois.

4.2 Jets déviés par un swirl

Pour accélérer le processus de mélange entre les gaz et le fioul,de très nombreux moteurs Diesel utilisent des chambres decombustion où l’air a de fortes vitesses de rotation, dit swirl .

La figure 13 montre les formes successives de jets turbulentsobtenues en injectant un liquide coloré dans une cuve d’eau claireanimée d’une vitesse de rotation.

Figure 11 – Pénétration d’un jet froid avant et après allumage

Figure 12 – Concentration sur l’axe d’un jet froidet d’une flamme libres

Figure 13 – Jets turbulents injectés dans un swirl


12/33



Près du centre de la chambre, la vitesse tangentielle du fluideambiant est faible, la vitesse radiale du fluide injecté est élevée.Les jets sont très peu déviés et leur angle d’épanouissement esttrès proche de celui de jets libres.

En s’éloignant du centre, la vitesse tangentielle du milieuambiant croît et la vitesse radiale du jet diminue, le jet se trouvefortement dévié. Il s’élargit et se mélange alors beaucoup plus vite.

La composante transversale de vitesse relative agit beaucoupplus sur le mélange que la composante axiale. La composantetransversale introduit « directement » du fluide ambiant dans le jettandis que la composante axiale ne l’introduit que par l’intermé-diaire de la turbulence qu’elle génère.

Du fait du fort mélange de masse, les jets prennent rapidementune vitesse de rotation proche de celle du milieu ambiant, ce quiréduit la vitesse relative et la vitesse de mélange. La vitesse de rota-tion du fluide ambiant n’aura donc malheureusement qu’un effetfugace sur l’accélération de la vitesse de mélange.

Dans la configuration montrée ici, nous avons utilisé un rapportvitesse de rotation / vitesse d’injection beaucoup plus grand queceux pratiqués sur les moteurs réels. Les jets se trouvent rapidementrabattus les uns sur les autres pour se fusionner en un anneau

unique. Cela réduit considérablement la surface latérale de mélangeentre les jets et le fluide ambiant. Dans le cas présent, le rabattementdes jets les uns sur les autres réduit par 4 la vitesse de mélangeavec le fluide ambiant.

Cet exemple illustre de manière amplifiée une configuration dejets qui doit absolument être évitée sur moteur, sous peine deréduire l’utilisation de l’air et d’accroître fortement les émissionsde fumées.

Comme nous le verrons plus en détail (§ 6.2.4), le rapport vitessede rotation des gaz/vitesse d’injection doit être soigneusementdosé :

— une vitesse de rotation trop faible réduit la vitesse demélange et de combustion et conduit à des jets peu déviés dont lesnoyaux liquides peuvent arroser les parois de la chambre decombustion ;

— une vitesse de rotation trop élevée rabat les jets les uns sur

les autres, réduit la vitesse de mélange et augmente les émissionsde fumées.

La figure 14 obtenue par visualisation en cinématographierapide au travers du piston d’un moteur Diesel à injection directe,montre les formes successives des jets de fioul injectés dans lesgaz qui tournent à vitesse élevée.

On retrouve les trois étapes de la combustion Diesel :— pénétration et vaporisation des jets de combustible ;— auto-inflammation et propagation rapide de la flamme à

l’ensemble des jets ;— combustion par diffusion.

Ici le rapport entre la vitesse d’injection et la vitesse du swirl estcorrect. Le swirl est suffisant pour que les jets s’enflamment avantde toucher les parois de la chambre de combustion. Les jets nesont pas rabattus les uns sur les autres avant d’atteindre les parois,ce qui permet d’utiliser la totalité des gaz présents dans lachambre.

5. Formation de polluants

5.1 Caractères spécifiquesde la combustion turbulente

Le mécanisme de mélange turbulent entre le combustible et l’air,utilisé sur les moteurs Diesel, se traduit par des concentrationsd’espèces chimiques et par des températures très variables d’unpoint à l’autre du jet, comme nous l’avons vu sous forme des profilsradiaux de concentration ou de la variation de celle-ci sur l’axe dujet (§ 4).

À cette variation déterministe des concentrations moyennées enfonction du temps se superposent des fluctuations locales et rapidesrésultant de la nature turbulente des jets.

Tous les phénomènes chimiques mis en œuvre lors de lacombustion relèvent en fait de réactions à échelle moléculaire. Leslois d’équilibre et de cinétique étant hautement non linéaires, ilapparaît donc impossible de décrire précisément les mécanismeschimiques en s’appuyant uniquement sur les valeurs moyennes deconcentration et de température.

Figure 14 – Jets injectés dans un swirl de moteur Dieselde poids lourd


13/33



Les analyses détaillées d’échantillons prélevés localement dansune flamme de diffusion et moyennés sur le temps montrent un« non-mélange » local qui se traduit par la coexistence de combus-tible non brûlé et d’oxygène dans la flamme.

Par rapport à une concentration moyenne stœchiométrique, quiaurait permis une combustion complète si l’air et le combustibleavaient été en contact intime, à échelle moléculaire, les hétéro-généités locales turbulentes permettent uniquement à 80 % ducombustible « brûlable » de brûler effectivement.

Par rapport à une combustion complète, un tel déficit locald’avancement des réactions se traduit par :

— une baisse des températures locales ;— la présence de combustible imbrûlé ou partiellement oxydé ;— une augmentation des quantités d’oxygène localement dispo-

nibles pour former les oxydes d’azote.

Les connaissances qui seraient nécessaires pour décrire les fluc-tuations de concentration turbulente à échelle moléculaire ne sontpas disponibles aujourd’hui. De ce fait, nous ne ferons donc qu’unedescription qualitative et volontairement simplifiée des phéno-mènes chimiques et de leurs implications.

5.2 Réactions de dissociation thermique

Dans les conditions usuelles de fonctionnement des moteurs Die-sel, les températures maximales de flamme dépassent souvent2 000 K. Des températures aussi élevées provoquent de nombreusesréactions partielles de dissociation moléculaire, parmi lesquelles :

L’ensemble de ces réactions partielles a été décrit en détail parZeldovitch. Le mécanisme complet fait appel à 13 réactions chi-miques, décrites par leurs équations d’équilibre et par leurs lois decinétique, toutes dépendantes des températures et des quantitésde produits présentes à échelle locale.

5.3 Formation du monoxyde de carbone

Le monoxyde de carbone intervient à deux titres : comme gaz polluant au travers de sa réaction avec l’hémoglobine du sang quibloque le mécanisme de transfert de l’oxygène dans l’organisme etcomme élément perturbateur des réactions chimiques decombustion, tant sur l’aspect libération d’énergie que sur l’utilisationde l’oxygène.

La réaction partielle entre le mono- et le dioxyde de carbone estdonnée par :

À l’équilibre, la loi d’action de masse donne :

La dissociation de CO2 en CO étant endothermique, la constanted’équilibre k p(T ) est une fonction croissante de la température. Ladissociation d’une molécule de CO2 donnant 1,5 molécule de pro-duits CO + 1/2 O2 , le terme k p(T ) est une fonction décroissante dela pression.

L’énergie libérée par l’oxydation du carbone en CO étant beaucoupmoins élevée que celle dégagée lors d’une oxydation complète, ladissociation thermique de CO2 en CO a donc comme conséquences :

— un effet d’autolimitation des températures de flamme, quitend à réduire la production d’oxydes d’azote ;

— une utilisation partielle de l’oxygène disponible qui tend aucontraire à favoriser la formation des oxydes d’azote ;

— un retard sur la libération de l’énergie chimique du combus-tible qui réduit le rendement du moteur.

Les cinétiques de cette dissociation sont très rapides, ce qui dansnotre cas d’application rend la réaction pratiquement réversible. End’autres termes, les quantités importantes de CO formées pendantles parties du cycle à haute température s’oxydent en CO2 pendantla phase de détente grâce à l’excès d’air disponible, ce qui se traduiten général par de très faibles émissions de CO pour les moteursDiesel. Cela peut être infirmé lorsque l’excès d’air global du moteurest trop faible ou lorsqu’il y a des blocages thermiques locaux, cequi s’accompagne d’émissions de fumées et d’hydrocarburesimbrûlés élevées. Ces blocages ont lieu le long des parois de lachambre de combustion, dans la couche de gaz à basse températureet à faible vitesse de mélange. Les conséquences de ce blocage ther-mique le long des parois seront bien sûr d’autant plus graves quela quantité de combustible concernée est grande. Le fait d’arroserles parois avec du combustible liquide se traduit en pratique par uneélevation nette des émissions de CO et des autres imbrûlés.

5.4 Formation des oxydes d’azote

Les oxydes d’azote sont à prendre en compte comme polluantsau travers de deux aspects :

— oxydants puissants qui irritent ou détruisent les muqueuses,avec un effet létal à de faibles concentrations ;

— agents chimiques contribuant à la formation de pluies acidesou de smog dans l’atmosphère.

Deux types d’oxydes d’azote sont présents en quantités signifi-catives dans les gaz d’échappement des moteurs Diesel : le mono-et le dioxyde d’azote dont les réactions de formation sont :

Le monoxyde d’ozote représente le plus souvent 80 à 90 % desémissions totales d’oxydes d’azote, mesurée directement à la sortiedu moteur. Du fait qu’une partie importante du monoxyde d’azotes’oxyde spontanément en dioxyde d’azote dans l’atmosphère, les

normes de pollution introduisent la notion de NOx , qui suppose quecette oxydation est complète. En effet, les calculs d’émissions mas-siques d’oxydes d’azote sont faits en attribuant aussi bien au NOqu’au NO2 mesurés le poids moléculaire du NO2 . Nous nousintéresseront ici uniquement au composant majoritaire qui est le NO.

La loi d’action de masse donne à l’équilibre :

soit en pratique :

puisque les quantités d’azote impliquées dans ces réactions sonttrop faibles pour affecter de manière appréciable la concentrationen azote.

La constante d’équilibre est une fonction croissante de la

température ; elle est indépendante de la pression, puisque la réac-tion de dissociation ne provoque pas de variations du nombre demolécules. Les cinétiques de formation et de dissociation du NO sonttrès lentes par rapport aux échelles de temps des moteurs Diesel.

La figure 15 montre des mesures de quantités totales d’oxydesd’azote présentes en fonction de l’angle, dans le cylindre d’un moteurDiesel à injection directe. Elles ont été obtenues grâce à une soupapede prélèvement synchrone qui recueille environ 80 % des gaz ducylindre pendant une durée de l’ordre de 5 degrés vilebrequin.

La formation très rapide des oxydes est nettement visible pen-dant la partie à haute température du cycle. La quantité maximaleformée est très voisine de celle mesurée à l’échappement, la légèredécroissance visible pendant la détente est autant imputable à desimprécisions de mesure qu’à un phénomène réel.

N2$2N

O2$2O

H2O$OH

H

+

CO2$CO 1 2O2 ⁄ N

O

+ $NO+

CO2$CO 1 2O2 ⁄ +

[C O2] [CO][O2]1 2 ⁄ ( ) k p= T ( ) ⁄

N

O

+ $NO et 2 NO O2+ $2NO2

NO[ ] N2[ ] O2[ ]⋅( )1 2 ⁄ ⁄ k T ( )=

NO[ ] O2[ ]( )1 2 ⁄ ⁄ k ′ T ( )=


14/33



Cela présente l’avantage que les quantités effectivement forméesne sont qu’une faible fraction de ce qui serait produit si l’équilibreétait atteint. En contrepartie, les cinétiques sont beaucoup trop lentespour que des quantités formées lors des phases à haute températuredu cycle puissent être détruites par abaissement de température lorsde la détente.

On peut en déduire les fils conducteurs des procédés de réduc-tion à la source des émissions d’oxydes d’azote : combustion avecdes températures maximales de cycle aussi faibles que possible eten présence d’une faible quantité d’oxygène.

De manière concrète, on retrouve les procédés suivants :— retard à l’injection, de façon à brûler tardivement le combus-

tible pendant la détente avec des températures plus faibles (§ 9.1.1) ;— fractionnement de la chambre : l’utilisation d’un moteur à pré-chambre permet de démarrer la combustion dans un petit volumequi ne contient qu’une faible fraction de l’air lorsque la températuremaximale est atteinte (§ 7).

Le manque d’oxygène permet, malgré des températures maxi-males élevées, d’obtenir facilement avec les moteurs à préchambredes émissions d’oxydes d’azote plus faibles qu’avec des moteurs àinjection directe. Le début de combustion, qui se fait alors en condi-tions riches, s’accompagne de très grandes quantités de fumées qu’ilfaudra ensuite brûler ;

— refroidissement de l’air à l’admission : dans le cas d’un moteursuralimenté, l’utilisation d’un refroidisseur intermédiaire situé entrele compresseur et le moteur permet d’atténuer l’élévation de tempé-

rature due à la compression, les températures initiales et maximalesde cycles et de réduire ainsi efficacement les émissions d’oxydesd’azote (§ 9.1.2) ;

— recirculation des gaz d’échappement : ce procédé, le plussouvent nommé EGR (Exhaust Gases Recirculation ), consiste àmélanger à l’air admis une partie des gaz d’échappement du moteur

(§ 9.1.3). Cette dilution de l’air comburant par des gaz inertesintervient de deux façons pour réduire les émissions d’oxydesd’azote :

• réduction des concentrations en oxygène, directement liée autaux de recirculation,

• abaissement des températures de combustion variable selonles conditions de mise en œuvre.

5.5 Formation des suies

Le moteur Diesel est souvent considéré comme polluant du faitdes émissions de suies qui sont, contrairement aux polluants gazeux,directement perceptibles par chacun, sans appareils de mesure.

Le mode de combustion par diffusion utilisé dans ces moteursest naturellement générateur de suies.

La figure 16 permet de mettre en évidence les mécanismesimpliqués.

Au voisinage de l’injecteur, un volume d’air qui pénètre dansle jet y rencontre une grande quantité de combustible.

Si l’allumage a eu lieu, le fioul utilise tout l’oxygène disponibledans ce volume qui se transforme en gaz brûlés chauds notés .

En migrant vers le cœur du jet, ce volume échauffe le combus-tible en l’absence d’oxygène, ce qui conduit en à la formation desuies par pyrolyse des hydrocarbures.

Plus loin en aval de l’injecteur, un volume d’air (A) qui semélange au jet ne rencontre pas de fioul à sa périphérie puisqu’ila déjà été brûlé en amont. Sous réserve que la température soitalors suffisante, l’oxygène ainsi apporté permet de brûler les suies

en (B). C’est le mécanisme de postoxydation. La figure 17 donne les quantités de suies mesurées dans lestranches d’une flamme de diffusion turbulente et stationnaire debutane injecté dans l’air atmosphérique.

En partant de l’injecteur, la première partie de la courbre estcroissante. Le mécanisme de formation par pyrolyse est prépondé-rant dans les zones les plus riches en combustible.

La courbe atteint un maximum lorsque la pyrolyse et la postoxy-dation se compensent.

La postoxydation l’emporte ensuite sur la pyrolyse en faisantdécroître la quantité de suies présente dans les tranches deflamme, jusqu’à ce que la température devienne trop faible et pro-duise le blocage thermique de la postoxydation.

Les quantités de suies restent alors constantes ; il y a uni-quement dilution par l’air mélangé à la flamme.

Il est donc clair que les quantités de suies émises seront lerésultat de la compétition entre la pyrolyse et la postoxydation etdépendront fortement de l’instant où le blocage thermique a lieu.

La figure 18 obtenue par mesure optique dans la chambre decombustion d’un moteur Diesel montre le même enchaînement demécanismes :

— lors de l’allumage, de grandes quantités de suies sont forméestrès rapidement par pyrolyse dans les zones riches des jets ;

— la postoxydation fait décroître très rapidement la quantité desuies présente dans la chambre de combustion ;

— la chute de température lors de la détente provoque le blo-cage thermique de la postoxydation et fixe ainsi la quantité desuies qui sera émise à l’échappement du moteur.

Figure 15 – Évolution des quantités d’oxydes d’azotesur un cycle de moteur Diesel


15/33



Il est remarquable que les suies émises ne représentent qu’unefaible fraction de celles qui ont été formées en début de combustion.

La figure 19 montre des micrographies de suies prélevées dansune flamme d’acétylène et à l’échappement d’un moteur Diesel. Lesstructures de chaînons et les tailles de nucléides élémentaires sontidentiques (100 à 300 Å).

Cela confirme que la formation des suies dans le moteur Diesela lieu en phase gazeuse et qu’elle est indépendante du fait que lecombustible soit injecté sous forme de gouttelettes.

Seul le fonctionnement au fioul lourd laisse des traces des gout-telettes dans les émissions du moteur. Il y a alors production decénosphères qui sont le squelette non volatil des gouttelettes. Lestailles typiques de cénosphères se situent entre 1 et quelquesdizaines de micromètres.

Avant d’aller plus loin dans les applications des moteurs Diesel, il

apparaît donc utile de détailler les mécanismes physicochimiquesimpliqués. Pyrolyse

Lorsqu’un hydrocarbure est exposé à des températures élevées,la fraction qui ne peut brûler du fait d’un déficit d’oxygène subit uncraquage thermique qui laisse des liaisons carbone ouvertes. Larencontre de deux fragments présentant des liaisons ouvertes donnelieu à polymérisation, c’est-à-dire à la création d’une moléculed’hydrocarbure plus lourde que les constituants initiaux. Globale-ment, le mécanisme de polymérisation l’emporte sur le craquage,ce qui se traduit par une production d’hydrocarbures lourds, dontla concentration dépasse rapidement le point de saturation. Il y aalors condensation de ces hydrocarbures autour de germes, c’estl’étape de nucléation.

La production d’hydrocarbures lourds se poursuivant, il se crée,d’une part, de nouveaux nucléides et, d’autre part, un dépôt autourdes nucléides préexistants, c’est-à-dire une étape de croissance ensurface.

L’agitation thermique provoque la collision des nucléides de HC,qui collent entre eux pour s’agglomérer sous forme de chaînes,c’est le mécanisme de coalescence.

La croissance en surface se poursuivant, il y a habillage desgouttelettes collées entre elles, ce qui renforce la solidité deschaînons.

L’exposition à température élevée des hydrocarbures lourds ini-tialement formés entraîne leur déshydrogénation plus ou moinscomplète pour les transformer en carbonne.

Il existe un équilibre remarquable entre les mécanismes denucléation et de croissance en surface, ce qui se traduit par destailles stables de nucléides, typiquement autour de 200 Å.

La production des hydrocarbures lourds nécessaires à la créationdes nucléides sera d’autant plus facile que le poids moléculaire initialdu combustible sera élevé. À ce titre, les gaz de pétrole liquéfiés (GPL)et le méthane ont beaucoup moins tendance à former des suies queles combustibles liquides. Si le combustible présente des liaisonscarbone-carbone non saturées, les mécanismes de polymérisationseront facilités. La combustion de l’acétylène ou du benzène donne

de très grandes quantités de suies. Dans les gazoles, la présenced’oléfines ou d’aromatiques peut accroître les productions de suies.

Il faut noter que les températures de fin de compression des gazfrais rencontrées dans les moteurs Diesel sont insuffisantes pourproduire des quantités détectables de suies. La formation a lieuuniquement après l’allumage. Postoxydation

Les quantités d’oxygène et les températures nécessaires pourbrûler la suie ne peuvent pas être justifiées par la réactionchimique simple . Il apparaît aujourd’hui comme

acquis que la postoxydation des suies se fait par l’intermédiaire duradical hydroxyle OH .

Figure 16 – Formation et destruction des suiesdans une flamme de diffusion

Figure 17 – Évolution des quantités de suiesdans une flamme de diffusion

Figure 18 – Évolution des quantités de suies sur un cycle de moteurDiesel

C O2+ !CO2


16/33



Il en résulte les conséquences pratiques suivantes :— la quantité d’oxygène à mettre en œuvre pour obtenir de faibles

émissions de suies sera beaucoup plus importante que celle néces-sitée par la réaction . En pratique, les moteurs Diesel

fonctionnent avec des quantités d’air minimales qui sont 1,1 à 1,2fois les quantités stœchiométriques ;

— la postoxydation des suies n’aura lieu que si la températureest suffisante pour qu’il existe des radicaux OH . Compte tenu destemps de séjour disponibles dans les moteurs Diesel, nousconstatons que la postoxydation devient dérisoire lorsque latempérature des gaz est inférieure à 1 000 ou 1 100 K. C’est la gammede températures de blocage thermique de la postoxydation, quicorrespond aussi aux mesures faites dans des flammes de diffusionatmosphériques ;

— la présence de métaux dans la flamme permet, par actioncatalytique, d’accroître la production de radicaux OH à faibletempérature et ainsi de réduire efficacement les émissions de suiesdes moteurs Diesel, du moins sur les points de fonctionnement oùun blocage thermique prématuré de la postoxydation a lieu.

Pour réduire les émissions des suies des moteurs Diesel, il peutapparaître tentant de réduire la formation des suies par pyrolyse.Pour cela, il faudrait pouvoir faire en sorte qu’il n’y ait pas decombustion dans les zones riches.

Un fonctionnement avec un délai d’allumage très long permet depasser des températures de fin de compression aux températuresde flamme, après qu’une quantité d’air importante a été prémé-langée au fioul. Cela permet effectivement d’éhapper à la formation

de suies, mais au prix d’une combustion brutale, d’un bruit inac-ceptable et de forts risques d’arroser les parois de la chambre avecdu fioul liquide, ce qui accroît alors considérablement les émissionsde suies et d’hydrocarbures imbrûlés.

La seule approche réaliste consiste à détruire le plus complè-tement possible la suie formée, sachant que cela n’est possible ques’il n’existe plus de zones riches, c’est-à-dire alors que la fractionbrûlée est déjà élevée. La postoxydation des suies ne peut donc êtrequ’une phase finale du processus de combustion. Malheureusement,les mécanismes de mélange de jets utilisés voient leur vitesse décroî-tre au fur et à mesure que le mélange a lieu.

Cela implique que, pour disposer d’une vitesse de mélange signi-ficative en fin de combustion, il faut démarrer avec une vitesse demélange très élevée, ce qui accélère le début de combustion, aug-mente les températures maximales de cycle et les productionsd’oxydes d’azote. Nous aurons donc en permanence à rechercherun compromis entre les émissions d’oxydes d’azote et les émissionsde suies.

5.6 Formation des hydrocarbures

imbrûlésDes défauts locaux de mélange peuvent faire en sorte qu’une

partie du combustible se retrouve à l’échappement, intact outransformé chimiquement. Il existe plusieurs sources d’hydro-carbures imbrûlés : vidange du sac de l’injecteur, levée secondairede l’aiguille d’injecteur, blocages de la combustion près des parois,consommation d’huile.

Vidange du sac de l’injecteur

La figure 20 montre la coupe d’injecteurs multitrous avec leursac, qui est le volume compris entre le siège de l’aiguille et l’entréedes trous.

Après fermeture de l’aiguille, le sac se trouve rempli par du fioulliquide qui est échauffé par l’injecteur. La dilatation et l’ébullitionéventuelle du fioul font sortir par les trous quelques gouttes de

combustible.Ces gouttes sont émises en cours de détente, avec des vitessesinitiales très faibles, elles ont un diamètre important, de l’ordre decelui des trous. Ces deux facteurs font que les échanges de chaleuret de matière entre ces gouttes et l’air sont très réduits.

Le fioul ainsi introduit dans le moteur ne brûle pas et se retrouvepratiquement intact à l’échappement.

Pour diminuer ces émissions, la solution consiste à réduire levolume du sac, en jouant sur son diamètre et sur sa profondeur.

Une solution extrême, dite injecteur sans sac ou injecteur àsiège perforé, consiste à faire déboucher les trous de pulvérisationdans la zone de portée de l’aiguille. Elle réduit de manière specta-culaire les émissions d’hydrocarbures dues à la vidange du sac ;elle nécessite une maîtrise parfaite de la réalisation pour ne pascompromettre les autres aspects des performances du moteur.

Levée secondaire de l’aiguille d’injecteurLe comportement hydraulique du système d’injection peut

provoquer, après la fermeture de l’aiguille, le retour d’ondes de pres-sion de forte amplitude vers l’injecteur. Si cette pression est suffi-sante, l’aiguille s’ouvre une deuxième fois. Le fioul ainsi introduittardivement et à faible vitesse dans le moteur se mélange très malavec les gaz chauds et déjà appauvris en oxygène. On le retrouveen majeure partie sous forme d’hydrocarbures imbrûlés à l’échap-pement du moteur.

Ce dysfonctionnement du système d’injection doit à tout prixêtre éliminé si le moteur veut satisfaire aux normes actuelles oufutures de pollution. Parmi les moyens disponibles pour réduire ouéliminer les levées secondaires d’aiguille, on peut citer :

— la réduction de la longueur et du volume de la tuyauterie deliaison entre la pompe et l’injecteur. La longueur minimale est fixée

Figure 19 – Micrographies de suies (× 50 000)

C O2+ !CO2


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par l’architecture du moteur et l’implantation de la pompe. Le dia-mètre de la tuyauterie de liaison résulte d’un compromis entre lespertes de charge et les effets indésirables d’élasticité du fioulprésent dans celle-ci ;

— l’injecteur-pompe, qui supprime la tuyauterie ;— l’utilisation de clapets à réaspiration ou à pression constante.

Un clapet de tête de pompe, muni d’une collerette, permet, en find’injection, de réaspirer vers la pompe une partie du fioul présent

dans la tuyauterie, ce qui réduit ou annule la pression résiduelleprésente dans la tuyauterie entre deux injections, et évite les risquesde levées secondaires.

Il faut noter que, par ailleurs, l’existence d’une pression résiduellepermet d’éviter les érosions par cavitation de la tuyauterie, dues àdes alternances d’ondes de pression négatives et positives. Là aussila détermination d’un clapet à réaspiration est un compromis à dosersur la plage de fonctionnement du moteur ;

— l’adjonction d’un filtre tige dans le raccord d’entrée du porte-injecteur, qui permet d’atténuer les ondes de pression circulant dansla ligne hydraulique. Il permet de réduire les levées secondaires, auprix de pertes de charge supplémentaires lors de la phase principaled’injection.

Blocages de la combustion près des parois

La tenue des matériaux classiques constituant la chambre de

combustion, la tenue du film d’huile sur le cylindre imposent destempératures de paroi très faibles par rapport aux températures decombustion.

Près des parois, il existe une couche perturbée dans laquelle lesfrottements diminuent considérablement les vitesses de mélange etcréent sur une faible épaisseur un gradient de température, allantdes températures de flamme de l’ordre de 2 000 K à celles des paroiscomprises usuellement entre 400 à 600 K.

Dans cette couche perturbée, le faible mélange et la palette de tem-pérature créent les conditions de formation des imbrûlés : fioulintact, fioul transformé chimiquement, suies, monoxyde de carbone,produits d’oxydations partielles (carboxyles, aldéhydes, etc.). Bienque le détail de cette couche soit aujourd’hui encore très mal connu,on peut utiliser cette notion pour en déduire la conséquence quali-tative suivante : plus la quantité de fioul introduite dans cette coucheest grande, plus les émissions d’imbrûlés seront élevées.

La figure 21 montre la croissance spectaculaire des émissionsd’hydrocarbures lorsque le parcours libre entre l’injecteur et laparoi devient inférieur à la longueur du noyau liquide du jet libre.

Lorsque le noyau liquide des jets touche les parois, une partie desgouttelettes y reste fixée par mouillage. La masse de fioul concernéepar les blocages locaux de combustion est alors beaucoup plusgrande que si les parois avaient été atteintes uniquement par la partiegazeuse du jet.

Les arrosages de parois par le fioul liquide devront être évités pourobtenir des niveaux acceptables d’émissions de HC, sauf si les tem-pératures de parois et les vitesses locales sont suffisantes pourbalayer les dépôts de fioul liquide.

Il faut aussi signaler que l’huile consommée par le moteur n’est,le plus souvent, que partiellement brûlée et peut contribuer de façonimportante aux émissions d’imbrûlés du moteur. Des soins parti-culiers sur l’étanchéité des queues de soupape et sur la segmentation

permettent de réduire la consommation d’huile du moteur et lesémissions de HC résultantes. Ces mesures sont bien sûr à appliquer

en étant attentifs à ne pas compromettre la longévité du moteur pardes lubrifications localement insuffisantes.

5.7 Particules solides

Ce terme résulte d’une approche plus réaliste des effets biolo-giques, au travers des évolutions de normes de pollution. Les gazd’échappement ne pénètrent, en effet, dans les poumons qu’aprèsdilution et refroidissement dans l’air. Cela provoque la condensationd’une partie des hydrocarbures présents dans les gaz d’échap-pement. Cette condensation se fait préférentiellement sur les germesdisponibles : suies et résidus de combustion des minéraux présentsdans l’huile et le gazole.

La notion de norme d’émissions de particules solides est d’abordapparue aux États-Unis, puis s’est généralisée progressivement

dans les pays développés.Bien que les niveaux autorisés et le détail des procédures

puissent varier, on retrouve en commun les points suivants :— dilution en une ou deux étapes d’une partie des gaz d’échap-

pement du moteur dans de l’air ambiant, de façon à obtenir, parmélange, une température inférieure à 52 oC ;

— prélèvement des particules contenues dans les gaz dilués surun filtre à efficacité de rétention spécifiée ;

— mesure de la prise de poids du filtre.

La notion de particules solides ne correspond donc pas à desespèces chimiques définies, mais à tout ce qui est captable par unfiltre dans des gaz refroidis par dilution. Nous retrouverons doncdans les particules les éléments suivants :

— suies ;— hydrocarbures lourds condensés ;— résidus des minéraux présents dans l’huile et le combustible.

La réduction des émissions de particules fait donc appel auxmécanismes décrits ci-dessus pour les suies et les hydrocarburesimbrûlés. La part minérale des émissions de particules résulte direc-tement de l’huile et du combustible utilisés ; à ce titre, elle peutintervenir comme élément limitatif des possibilités d’additivation.

5.8 Autres polluants

Dans la chambre de combustion, nous avons du carbone, del’oxygène, de l’hydrogène, de l’azote, du soufre et divers métaux.Les températures sont telles que les molécules sont partiellementdissociées sous forme atomique, ce qui permet en principe deformer, par recombinaison des atomes libres, un nombre considé-rable de produits organiques et minéraux.

Figure 20 – Coupes d’injecteurs à trous (doc. Bosch)

Figure 21 – Effet de la longueur du noyau liquide du jetsur les émissions d’hydrocarbures imbrûlés (mesures CRMT)


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Parmi les produits qui ne font pas encore l’objet de normes défin-itives, un certain nombre peut produire des désagréments suffisantspour qu’ils aient fait l’objet d’études particulières. De façon nonexhaustive, nous pouvons citer :

— le dioxyde de carbone ; les quantités rejetées sont directementliées aux quantités de combustibles fossiles brûlés dans les moteursDiesel et autres combustions. L’élévation résultante de la teneur enCO2 dans l’atmosphère ne produit pas d’effets biologiques directsapprécialbes, mais elle contribue au réchauffement de l’atmosphèrepar effet de serre , du fait de la très forte absorption d’infrarougespar le CO2 .

Le souci de limitation des rejets de CO2 conduit à remettre enquestion des solutions antérieurement retenues pour réduire lesémissions d’oxydes d’azote au détriment de la consommationspécifique ;

— les produits d’oxydation partielle ; parmi ceux-ci, les aldé-hydes sont très odorants et irritants pour les muqueuses. On lesretrouve surtout lors du démarrage à froid des moteurs. Ils résultentdu blocage thermique le long des parois froides de combustibledéjà partiellement oxydé. Des longueurs réduites des noyauxliquides de jets et une montée rapide en température des parois dela chambre de combustion permettent de réduire la productiond’aldéhydes ;

— les polynucléides aromatiques ; ce terme recouvre un trèsgrand nombre de molécules d’hydrocarbures contenant desnoyaux benzéniques qui sont formés par le mécanisme de pyro-lyse et présents dans les particules solides. Un certain nombre deces produits ont des effets mutagènes ou cancérigènes prouvés.Cette action biologique importante implique des mécanismes quisont loin d’être complètement élucidés ;

— les produits soufrés ; le soufre présent dans le combustible oudans l’huile brûlée se retrouve à l’échappement sous forme d’anhy-drides ou d’acides sulfureux et sulfurique ainsi que sous forme desulfates métalliques. Avant même que des soucis de protection del’environnement soient apparus, le risque de condenser de l’acidesulfurique sur des parois froides du moteur et de les éroder (fondsdes gorges de segment) conduit à limiter la teneur maximale ensoufre des combustibles destinés aux moteurs Diesel.

Les évolutions de normes d’émission de particules solides auxÉtats-Unis tendent à limiter les rejets de sulfates métalliques. Bienqu’ils soient rarement directement toxiques, ils permettentd’introduire dans l’organisme des métaux lourds qui peuvent êtreensuite métabolisés si, par exemple, un acide organique déplace lesulfate initial.

Les normes limitant les rejets des polluants de nature diversedeviennent plus sévères au fur et à mesure que des possibilitésréelles de dépollution apparaissent.

Le respect de ces normes est actuellement devenu un aspectcapital du développement des moteurs Diesel, en particulier autravers de l’organisation de la combustion.

6. Moteurs à injection directeCe terme recouvre les moteurs Diesel où l’injection et la

combustion ont lieu dans un volume unique situé directementau-d

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