Contribution à l’étude de moteurs fonctionnant en mode dual fuel : applications aux cas de moteur dual fuel (gazole – HCNG)

Abstract

L'épuisement des ressources fossiles, source primaire des carburants, et la dégradation de l'environnement sont les principales préoccupations du siècle. Parmi les contributeurs à ces deux problématiques, on cite le moteur diesel qui est largement utilisé en particulier dans le secteur des transports et de l'agriculture. A cet effet l'amélioration des performances de ce moteur et la réduction des émissions polluantes sont devenues les principaux objectifs de la recherche et du développement dans le domaine. Plusieurs solutions ont été proposées. On cite en particulier, l’utilisation de combustibles alternatifs, tel que le gaz naturel (GN). Elle s’avère très prometteuse. Ce carburant peut être utilisé dans le moteur diesel en mode dual fuel en raison de leur haute résistance au cliquetis. Le moteur dual fuel (DF) à gaz naturel, à l’encontre du moteur diesel, a plusieurs avantages à savoir son caractère économique et son faible taux d’émissions polluantes (NOx,CO et de particules de suie). Cependant, ce moteur souffre des émissions élevées de monoxyde de carbone et d’hydrocarbures imbrulés à faibles charges. Vu la disponibilité du gaz naturel à de faibles coûts et les réserves importantes dont dispose l’Algérie ; sa généralisation et l’amélioration des performances de moteurs DF au gaz naturel sont très recommandées. Une des voies attrayantes est l’enrichissement du gaz naturel par l’hydrogène. Toutefois, lors d’introduction du combustible gazeux dans le moteur, plusieurs aspects doivent être vérifiés ; en particulier lorsque l’hydrogène est utilisé. En effet, le risque d’apparition de la combustion anormale (retour de la flamme, préallumage, cliquetis) et les émissions des NOx, en particulier à fortes charges, doivent être examinés.

C’est dans ce cadre que s’inscrit ces travaux de recherche portant sur l’étude de la valorisation de l’hydrogène, vecteur énergétique, par son utilisation dans les moteurs diesel et dual fuel au gaz naturel ainsi que l’optimisation de système d’admission du combustible gazeux. La première partie de cette thèse porte sur le dimensionnement et l’optimisation du système d’admission de carburant gazeux et la préparation du mélange air-gaz dans le conduit d’admission afin d’améliorer le remplissage et la qualité de formation du mélange air-carburant et éviter le retour de flamme. Cette partie est suivie par l’étude de l’effet du retard à l’injection du diesel sur les caractéristiques de combustion et les émissions de NOx. Enfin une comparaison entre le système d’admission de gaz combustible de type mélangeur et injection synchronisé est effectuée. Les résultats obtenus de la simulation numérique utilisant le code CFD ANSYS Fluent réalisée pour un moteur monocylindre dual fuel hydrogène-diesel, montre que le bon choix de la loi de levée (hauteur maximale de levée et angle fermeture soupape admission), les paramètres d’injection de gaz (pression d’injection, angle injection et inclinaison de l’injecteur) et le retard à l’injection de diesel permettent de contrôler et d’améliorer le fonctionnement de ce moteur. La seconde partie consiste en une investigation expérimentale de l’effet de l’ajout d’H sur les caractéristiques de combustion, les performances et les émissions polluantes d’un moteur diesel monocylindre et du moteur dual fuel au GN, à différentes charges du moteur et à un régime moteur constant. Les résultats obtenus ont montré une nette amélioration des performances énergétiques et environnementales du moteur diesel conventionnel avec l’addition d’hydrogène pour toutes les charges, en particulier pour un taux de substitution énergétique de 5%, à l’exception d’une légère augmentation des émissions de NOx aux fortes charges. Pour le fonctionnement dual (H GN-D), l’ajout de l’hydrogène conduit à l’amélioration du fonctionnement du moteur dual fuel au gaz naturel