P1 Modélisation et commande de l'auto-ignition d'un moteur HCCI
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Sommaire
Introduction:
Ce projet se déroule en partenariat avec l'université de Gand (Belgique) et plus particulièrement avec le département "Flow Heat and Combustion Mechanics". Ce département travaille à l’amélioration des moteurs thermiques existant par l’étude des carburants utilisés et le développement d’outil d’optimisation durable, évolutif et compact.
L’étude du moteur HCCI (Homogeneous Charge Compression Ignition) l’amélioration de son fonctionnement, sa commande et son contrôle représente un enjeu dans le cadre des économies de carburant et de la réduction des émissions de polluants atmosphérique.
L’objectif principal de ce projet est de caractériser la combustion au sein du moteur, puis de faire une étude bibliographique des modèles et contrôles applicable au moteur HCCI. La particularité de cette étude repose dans l’utilisation d’un capteur permettant de mesurer la chaleur libérée lors de la combustion.
I - Présentation du projet
1) principe de fonctionnement du moteur HCCI
Le moteur HCCI est un moteur à combustion interne au même titre que le moteur à essence ou le moteur diesel. Il peut, d’une certaine manière, être considéré comme un mélange entre ces deux moteurs.
Le principe de fonctionnement de ce moteur est le suivant : - Injection dans le cylindre du moteur d’un mélange air-carburant homogène. - Compression de celui-ci jusqu’à parvenir au point d’auto-allumage (ou auto-ignition). - Détente. -Évacuation des gaz suite à la combustion.
Comme dans le moteur diesel, le mélange est compressé jusqu’à auto-ignition, il n’y a donc pas de commande directe de l’allumage (bougie) comme sur un moteur à essence. Toutefois, comme les moteurs à essence, le moteur HCCI utilise un mélange homogène contenant du carburant et de l’oxydant (le plus souvent de l’air) alors que dans le cas d’un moteur diesel le carburant est injecté lors de la compression.
Le moteur HCCI présente ainsi des avantages par rapport aux autres types de moteurs à combustion interne :
Un rendement plus élevé que les moteurs à essence (environ 30%). • Peu de pertes mécaniques
• Basse température de combustion
• Très peu d’émission d’oxydes de nitrogènes
• Pas d’émission de particules
• Possibilité d’utiliser différents carburants
Toutefois, le moteur HCCI présente aussi quelques inconvénients :
• Contrôle difficile de la température d’ignition
• Contrôle difficile du déclenchement de l’ignition
• Faible densité de puissance
• Faibles performances à hautes charges
• Fortes émissions de polluants hydrocarbures
• Pics de pressions élevés
• Energie dissipée dans un temps très court
Le problème principal de ce moteur est donc le contrôle de son ignition, ce qui crée des problèmes principalement lors des phases de démarrage et pour les fonctionnements à couple élevé.
2) Présentation du banc de test
L’université de Gand possède un banc d’essai monté autour d’un cylindre de moteur HCCI, cela permet de réaliser des séries de mesures afin d’en étudier le fonctionnement.
Ce banc d’essai est équipé d’un grand nombre de capteurs, il est possible de mesurer : - Angle du vilebrequin
- Température des gaz injectés
- Température en sortie du cylindre
- Température atmosphérique
- Pression atmosphérique
- Pression dans le cylindre
- Pression des gaz en entrée du cylindre
- Chaleur dissipée (précision de 7-10%)
- Couple sur le vilebrequin
- Ratio air/carburant du mélange injecté
- Ratio air/carburant en sortie
Des séries de mesures ont été réalisées sur ce banc de test, cela a permis de récupérer les courbes représentant la pression dans le cylindre, la température des gaz, la chaleur libérée, le flux de chaleur net et le volume de la chambre selon différentes condition initiales.
3) Données disponibles
Nous avons à notre disposition 5 jeux de mesures réalisés par Stijn Broekaert. Chaque mesure est réalisée de la même manière en modifiant les variables d’entrées. L’ensemble de ses mesures nous donne un échantillon suffisant pour tester nos méthodes de détection et vérifier les informations trouvées dans la littérature.
II - Méthodes de détection
1) Méthode de détection théorique
La majorité des méthodes de détections utilisées actuellement sont basées sur le CA50, c’est à dire le moment ou 50% du carburant a été consommé, et non sur la détection directe du déclenchement de la combustion (CA1). En effet, le CA1 est sujet au bruit et est très difficile à détecter avec précision, le CA50 est beaucoup plus stable et robuste au bruit. [1] Il y a deux types de détections, celles basées sur un modèle thermodynamiques et celles basées sur l’étude du signal observé.
1.1) Méthodes de détection basées sur le modèle thermodynamique.
L’angle du vilebrequin correspondant au moment de l’auto-ignition peut être déterminé en utilisant la condition d’Arrhenius [6].
Afin d’utiliser cette méthode il est nécessaire de connaitre l’ensemble des paramètres des équations, ces paramètres doivent être déterminés de manière empirique puisqu’ils dépendent du carburant utilisé, du moteur et des conditions extérieures. Nous n’avons pas les moyens de les déterminer et avons donc décidé de nous orienter vers d’autres méthodes.
1.2) Méthodes basées sur l’étude du signal.
Notre première idée était d’utiliser l’algorithme de CUSUM Page-Hinkley, qui peut être trouvé dans le livre de Basseville et Nikiforov et permet la détection d’un changement dans l’un des paramètres d’une séquence dépendante du temps. [9]
Il s’agit d’une méthode d’analyse statistique utilisée pour la détection d’un événement soudain, basée sur un changement de variance des données analysées. Mais nous ne pouvons pas appliquer cette méthode à nos courbes puisque nous n’avons pas de changement représentatif de la variance (ce qui apparaitrait, par exemple, pour un phénomène de « knock »). La variance n’est donc pas un élément représentatif des données dans nos courbes, cependant il semble exister des indices dans l’évolution des signaux qui pourraient nous servir, nous en discuteront plus tard.
2) Méthodes de détection expérimentales.
2.1) Détection du CA50 a)En utilisant la courbe de pression
CA50 peut être déterminé quand la pression dans le cylindre atteint sa valeur maximale. Cette méthode fait l’hypothèse que la combustion se déroule intégralement et dans de bonnes conditions.[1]
b)En utilisant le flux de chaleur net (dQ/dθ)
CA50 peut être déterminé quand l’énergie libérée par degré du vilebrequin (dQ) atteint sa valeur maximale. [1] Il est possible d’utiliser cette méthode sur la courbe de chaleur en la dérivant ou sur la courbe de flux de chaleur net.
b)En utilisant la chaleur totale libérée par la réaction
Cette méthode est notre méthode référence afin de détecter le CA50. Elle consiste à faire la somme de la chaleur libérée pendant la réaction, la courbe rprésentant cette somme peut être utilisée afin de déterminer les points recherchés. On mesure l’intervalle entre les valeurs maximale et minimale de la courbe, et on localise le CA50 à la moitié de cet intervalle. [17] 3) Résultats
3.1) CA50 measures.
Les methodes de détection expliquées précédemment ont été appliquée aux données que nous possédons et nous obtenons les résultats suivants:
Curve 1 Curve 2 Curve 3 Curve 4 Curve 5 Pressure method 1.75 3.5 5 7.5 9.75 dQ/dθ method -3 -1 0 3 6 Cumulative sum method 9,75° 10° 9,25° 14,75° 20,5° Table 1. Mesure de CA50.
Les résultats obtenus à l’aide des courbes de pression et de flux de chaleur sont similaire. Ceux obtenus avec la somme de la chaleur libérée, notre méthode de référence, sont plus élevés d’environ 10°. Cet écart s’explique par les imprécisions de calcul, et le coté approximatif des deux premières méthodes.
Déroulement du projet
Semaine 1:
Prise de contact avec nos tuteurs (Anne-Lise Gehin / Jean-Yves Dieulot). Recherche de documentation sur les moteurs thermiques en général et plus particulièrement la technologie du moteur HCCI. Une date pour la rencontre avec l'équipe du l'université de Gand rattachée à ce projet est fixée au 09/10/2014. La réunion se déroulera à l'université de Gand en présence du Professeur Sebastian Verhelst et de Stijn Broekaert étudiant du département Flow Heat and Combustion Mechanics actuellement en thèse sur le moteur HCCI. Il a également été décidé que nous reverions nos tuteurs en semaine 3 pour faire un premier point sur le sujet.
Semaine 2:
Cette semaine a été consacrée à la réalisation d'une première base de documentation sur le sujet et à la lecture de cette documentation (voir bibliographie).
Semaine 3:
Réunion avec nos tuteurs pour faire un point sur les principaux objectifs de la réunion à Gant et sur nos connaissances du moteur HCCI. Suite des recherches bibliographiques.
Semaine 4:
Réunion à Gand. Définition des grands axes du projet et des différentes étapes de celui-ci (voir compte-rendu de réunion). Fichier:CRn1Eng.pdf
Schéma représentant le banc de test de l'université de Gand
Semaine 5:
Réception des résultats des mesures effectuées a Gand et analyse. La lecture de documentation continu...
Valeur de la pression dans le cylindre en fonction de l'angle du vilebrequin.
Flux de chaleur mesuré en fonction de l'angle du vilebrequin.
Température en fonction de l'angle
Semaine 6:
Court entretien avec notre tuteur Anne-Lise Gehin à propos des résultats envoyer par l'université de Gand
Analyse des données reçues
Semaine 7:
Réunion avec nos tuteurs pour discuter des données et de leurs analyses
Semaine 9:
Recherche afin de déterminer le moment de l'ignition, lecture de documentation (toujours...).
Réalisation d'un premier rapport d'avancement.
Semaine 10:
Réunion avec Anne-Lise Gehin et Jean-Yves Dieulot avant l'envoie d'un rapport préliminaire à l'université de Gand
Envoi du rapport préliminaire :Fichier:AdvancementReport.pdf
Semaine 11:
Recherches bibliograpiques
Semaine 12:
Retour de la part de Gand sur le rapport préliminaire
Rapport intermédiaire et soutenance
rapport intermédiaire :Fichier:Rapport decembre moule tache.pdf
Semaine 13:
Poursuite du travail abordé avant les vacances.
Discutions à propos du retour de Gand.
Semaine 14:
Recherches sur la détection du CA50 et sur le controle
Semaine 15:
Recherches bibliographiques sur la détection du CA50 et essais de calculs sous matlab.
Réunion le lundi 19/02 avec les tuteurs écoles pour parler de la détection du CA50 et des pistes de contrôle du moteur HCCI
Semaine 16:
Recherches bibliographiques sur le controle
Semaine 17:
Recherchse sur le moteur HCCI et préparation pour le rendez vous avec l'université de Gand.
Réunion le jeudi 5/02 avec les tuteurs écoles pour le rdv avec Gand. Réalisation d'une étude sur la flamme froide :Fichier:Etude sur la flamme froide.pdf
Rédaction d'un rapport et d'un powerpoint pour le rdv.
Semaine 18:
Réunion le lundi 9/02 avec l'université de Gand sur la détection du moment d'ignition Rapport donné à l'université de Gand : Fichier:RapportGand 2.pdf
Recherches bibliographique sur le contrôle
Semaine 19:
Recherches sur le contrôle cycle to cycle et sur le contrôle intra-cycle
Réunion le vendredi 20/02 avec l'université de Gand pour parler du contrôle
Semaine 20:
Rendu du rapport et soutenance Rapport final: Fichier:RapportFinPFE.pdf