P1 Modélisation et commande de l'auto-ignition d'un moteur HCCI

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.

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