IMPACTS DES GAZ D’ECHAPPEMENT RECIRCULES ET DE L’HUILE …

UNIVERSITE D’ANTANANARIVO ECOLE SUPERIEURE POLYTECHNIQUE D’ANTANANARIVO

PARCOURS : GENIE INDUSTRIEL

MENTION : GENIE MECANIQUE ET INDUSTRIEL

MEMOIRE DE FIN D’ETUDES

POUR L’OBTENTION DU DIPLOME D’INGENIEUR EN GENIE

INDUSTRIEL

GRADE : MASTER 2

IMPACTS DES GAZ D’ECHAPPEMENT RECIRCULES

ET DE L’HUILE DE FRITURE USAGEE

SUR LA COMBUSTION D’UN MOTEUR DIESEL

Présenté par : ANDRIA-MBOLARIVONY Lanjaniaina

Rapporteur :

Monsieur RANDRIAMORASATA Josoa Professeur titulaire à l’ESPA

Date de soutenance : 14 Mai 2018

PARCOURS : GENIE INDUSTRIEL

MENTION : GENIE MECANIQUE ET INDUSTRIEL

MEMOIRE DE FIN D’ETUDES

POUR L’OBTENTION DU DIPLOME D’INGENIEUR EN GENIE INDUSTRIEL

GRADE : MASTER 2

IMPACTS DES GAZ D’ECHAPPEMENT RECIRCULES

ET DE L’HUILE DE FRITURE USAGEE

SUR LA COMBUSTION D’UN MOTEUR DIESEL

Présenté par :

ANDRIA-MBOLARIVONY Lanjaniaina

Rapporteur :

Monsieur RANDRIAMORASATA Josoa

Professeur titulaire à l’ESPA

Président de jury :

Monsieur RAKOTOVAO José Denis

Professeur titulaire à l’ESPA

Membre de jury :

Monsieur RAMAHAROBANDRO Germain ,Enseignant chercheur

Monsieur RANDRIANATOANDRO Grégoire , Enseignement chercheur

Monsieur RAKOTONINDRINA Tahiry , Enseignant chercheur

UNIVERSITE D’ANTANANARIVO

ECOLE SUPERIEURE POLYTECHNIQUE D’ANTANANARIVO

i

REMERCIEMENTS

Tout d'abord, nous rendons grâce à notre Dieu Tout Puissant qui nous a donné la force et la santé

pour mener à terme ce mémoire.

Ensuite, nous tenons à adresser nos sincères remerciements aux personnes suivantes :

-Monsieur ANDRIANAHARISON Yvon, Directeur de l’Ecole Supérieure Polytechnique

d’Antananarivo qui a assuré notre formation au niveau de l’école;

-Madame RAKOTOMANANA Dina Arisoa, responsable de la mention Génie Mécanique et

Industriel, qui n’a pas ménagé ses efforts et son temps pour nous donner des conseils judicieux ;

-Monsieur RANDRIAMORASATA Josoa, professeur titulaire à l’ESPA, qui nous a dirigés et

encadré tout au long de la réalisation de ce travail ;

-Monsieur le Président et tous les membres du jury qui vont porter leurs remarques et critiques

constructives à ce mémoire.

-Tous les enseignants de l’Ecole Supérieure Polytechnique d’Antananarivo pour toutes les

connaissances qu’ils nous ont transmises durant ces cinq années d’études.

A nos parents et à toute la famille, nous témoignons notre profonde gratitude pour leur soutien

moral et financier.

Enfin, à tous ceux qui ont contribué de près ou de loin à la réalisation de ce présent travail, qu’ils

trouvent ici l’expression de notre sincère reconnaissance.

ii

SOMMAIRE

INTRODUCTION

Partie I : ETUDES BIBLIOGRAPHIQUES

Chapitre I : Contexte de l'étude

I. Biocarburant : les enjeux

II : L’utilisation de l’huile végétale comme carburant

Chapitre II : Recirculation des gaz d’échappement

I. Le principe de l’EGR (Exhaust Gas Recirculation)

II. Les différents types d’EGR et leurs effets

III. Synthèse des résultats de recherche obtenus avec les systèmes EGR

Chapitre III : Influences et impacts des gaz recirculés et de l’HFU sur les paramètres de

fonctionnement du moteur

I. L’utilisation des gaz brulés en combustion

II. La chimie de l'EGR

Partie II : REALISATIONS PRATIQUES

Chapitre I : Dispositifs expérimentaux

I. Le moteur monocylindre

II. Les instruments

III. L’EGR

IV. Les carburants

iii

Chapitre II : Prélèvements et analyses des gaz

I. Prélèvements et analyses des gaz

II. Analyse des gaz prélevés

III. Les Protocoles d’essais pour déterminer le taux de recirculation et la

consommation

IV. Répétabilité des essais

V. Problèmes rencontrés

PARTIE III : RESULTATS ET ETUDES ENVIRONNEMENTALES

Chapitre I : Résultats, discussions et analyses

I. Les principales émissions de gaz à l’échappement

II. Les performances du moteur

III. Récapitulatif de l’effet EGR avec l’HFU et le gasoil

Chapitre II : Etudes des impacts environnementaux

I. Introduction

II. Objectif

Chapitre III. Evaluation des impacts environnementaux

I. Impacts négatifs

II. Impacts positifs

CONCLUSION

ANNEXES

iv

LISTE DES FIGURES

Figure I.1 : Evolution des normes européennes antipollution pour véhicule Diesel

Figure I.2 : Influence de la présence de CO et de N sur l'initiation et le déroulement de la

combustion

Figure I.3 : Durée de combustion selon la fraction molaire de CO initial

Figure I.4 : Impact de la présence de NO selon sa concentration sur l’oxydation de l’isooctane

Figure I.5: Effet de l’addition de NO sur la température cylindre

Figure I.6 : Influence de l’addition de NOx sur la pression cylindre

Figure I.7: Variation du taux d'introduction du méthane sur la pression cylindre, la température

cylindre et le dégagement de chaleur

Figure I.8 : Influence sur la combustion de l'incorporation de 1% et 10% d'EMHV dans

le carburant (1500tr/min, =0,73, PMI=3bar)

Figure II.1 : moteur accouplé à un alternateur monophasé

Figure II.2 : Modélisation du circuit EGR équipant le moteur d'essai

Figure II.3 : Gasoil et HFU

Figure II.4 : Modélisation du moteur avec signalisation de la localisation des points de

prélèvements des gaz

Figure III.1 : Oxydes d’azote avec gasoil et HFU, sans et avec EGR

Figure III.2 : oxygène avec gasoil et HFU sans et avec EGR

Figure III.3 : gaz carbonique avec gasoil et HFU sans et avec EGR

Figure III.4 : Monoxyde de carbone avec gasoil et HFU sans et avec EGR

Figure III.5: température d’échappement avec gasoil et HFU sans et avec EGR

Figure III.6 : température de fumée avec gasoil et HFU sans et avec EGR

Figure III.7 : Consommation spécifique avec gasoil et HFU sans et avec EGR

Figure III.8 : Rendement global avec gasoil et HFU sans et avec EGR

v

LISTE DES TABLEAUX

Tableau I.1 : Récapitulatif de l’influence de certaines espèces sur l’initiation et le déroulement

de la combustion

Tableau II.1: Caractéristiques du groupe électrogène

Tableau II.2: Caractéristiques du système d'injection utilisé

Tableau II.3 : Domaines de fonctionnement possibles avec ce moteur

Tableau II.4: Caractéristiques principales du gasoil et HFU

Tableau II.5 : Propriétés des carburants utilisés (valeurs mesurées)

Tableau II.6 : Tests de répétabilité pour la mesure des HC totaux, NOx, CO2, O2, et CO

Tableau III.1 : Variation de NOx

Tableau III.2: Variation de l’O2

Tableau III.3 : Variation de CO2

Tableau III.4 : Variation de CO

Tableau III.5 : Variation de la température d’échappement

Tableau III.6 : Variation de la température de la fumée

Tableau III.7 : Variation de la consommation

Tableau III.8 : Variation des valeurs du rendement

Tableau III.9: Résumé des variations relatives de l’EGR avec l’HFU et le gasoil

vi

LISTE DES ABREVIATIONS

ASE Accelerated Solvent Extraction

AVI AVance à l'Injection

b.p. Boiling Point

BSFC Brake Specific Fuel Consumption

CA Crank Angle

CAD Crank Angle Degree

CAI Controlled Auto Ignition

CFR Cooperative Fuel Research

DI Direct Injection

EGR Exhaust Gas Recirculation

EMHV Ester Méthylique d'Huile Végétale

ETBE Ethyl Tertio Butyl Ether

FID Flame Ionisation Detector

FTIR Fourier Transform Infra-Red

GC Gas Chromatography

HAP Hydrocarbures Aromatiques Polycycliques

HFU Huile de Friture Usagée

HC HydroCarbures

HCCI Homogeneous Charge Compression Ignition

HPC Highly Premixed Combustion

HPLC High Performance Liquid Chromatography

IDI InDirect Injection

IQT Ignition Quality Tester

JSR Jet Stirred Reactor

LTC Low Temperature Combustion

MK Modulated Kinetics

MON Motor Octane Number

MTBE Methyl Tertio Butyl Ether

NADI Narrow Angle Direct Injection

PCCI Premixed Charge Compression Ignition

vii

PCI Premixed Compression Ignition

PMH Point Mort Haut

PMI Pression Moyenne Indiquée

PREDIC PREmixed DIesel Combustion

PRF Primary Reference Fuel

UNIBUS UNIform BUlky combustion Sytem

RON Research Octane Number

SOF Soluble Organic Fraction

TCD Thermal Conductivity Detector

Abréviations dans la nomenclature chimique

c Cis

Cyc Cyclo

DM Diméthyl

E Ethyl

m Méta

M Méthyl

p Para

t Trans

TM Triméthyl

Abréviations dans les équations bilan

° Radical

M Molécule neutre mais nécessaire à la réaction

R° Radical alkyle

RH Molécule d'hydrocarbure

viii

SYMBOLES

°V Degré Vilebrequin

Ɛ Taux de compression

ɸ Richesse

N Régime moteur

Padm Pression admission

P rail Pression au sein du rail d'injection

Q air Débit massique d'air

Q carb Débit massique de carburant

Q EGR Débit massique de gaz dans le circuit EGR

Q inj Quantité massique de carburant injecté

T adm Température admission

Tx EGR Taux de recirculation de gaz brûlés

Ti Durée d'injection

1

INTRODUCTION

Ce mémoire intitulé " Impact des gaz d’échappement recirculés et de l’huile de friture usagée sur

la combustion d’un moteur diesel" s’inscrit dans le cadre du partenariat entre la Société HENRI

FRAISE Fils & Cie et l'ESPA ‘mention Génie Mécanique et Industriel’. En effet, une des priorités

stratégiques de ladite Société est de mettre en circulation des Véhicules économes écologiques à

travers une maîtrise de la combustion.

Ainsi, la problématique soulevée est la suivante : Comment maitriser la combustion à travers la

technologie provenant des gaz brûlés recirculés et un carburant adapté ? En effet, il est important

d’ analyser et de comprendre les interactions entre gaz frais et gaz brûlés en fonction des propriétés

des gaz d'échappement recirculés, notamment la composition et la température, et l'impact de

ceux-ci sur le contrôle d'une combustion à faible taux d'EGR en ajoutant un biocarburant.

Compte tenu de la dégradation de l’environnement actuel à cause des diverses pollutions et le

cout élevé de l’entretien des engins et véhicules, nous pensons qu’il est opportun de réfléchir sur

une technologie pouvant répondre aux intérêts économiques et à la préservation de

l’environnement.

Pour la réalisation de ce mémoire, nous sommes partis de l’analyse de documents et d’études

théoriques et ensuite nous avons procédé à la réalisation pratique des résultats d’analyse.

L’objectif visé par ce mémoire est d’étudier, voire optimiser la recirculation des gaz

d’échappement dans un moteur diesel ayant comme combustible les huiles végétales afin de

contribuer à un renforcement documentaire des publications agro- carburants.

Ce travail comporte trois (03) parties. La première partie sera constituée d'un rappel sur les

enjeux des biocarburants et les mécanismes de formation de polluants non réglementés. Des

connaissances actuelles sur la technologie EGR y seront aussi apportées.

La seconde partie comprendra la réalisation de ce mémoire ou le plan de recherche est constitué

par une présentation détaillée des dispositifs expérimentaux utilisés. Ensuite, un chapitre sera

consacré uniquement aux différents moyens pour parvenir à l’obtention des résultats.

La troisième partie présentera les résultats expérimentaux, les analyses et les discussions liés à

l'impact des gaz recyclés et le HFU sur l'initiation et le déroulement de la combustion. Ensuite,

une étude sur les impacts environnementaux de ce présent travail sera abordée

2

Partie I : ETUDES BIBLIOGRAPHIQUES

Pour bien appréhender le sujet, il convient de présenter dans cette première partie une vue

d’ensemble du contexte ainsi que les différentes technologies qui vont être étudiées. Pour cela on

va s’intéresser d’une part de l’utilisation des biocarburants et d’autre part la technologie EGR.

3

Chapitre I : Contexte de l'étude

Les fluctuations importantes du prix du baril de pétrole et la prise de conscience

collective du caractère "non infini" des énergies fossiles ont fortement relancé l'intérêt général

pour les biocarburants. Le remplacement d'une partie des carburants traditionnels par des

produits issus de la biomasse répond à un triple enjeu : économique (indépendance

énergétique) et environnemental (effet de serre).

I. Biocarburant : les enjeux

I.1. Épuisement des ressources fossiles

La plupart des scénarii mis au point par les économistes statue sur une croissance

régulière de la demande énergétique planétaire pour les vingt prochaines années. Dans ce

bilan, les énergies nucléaire et renouvelables (éolien, hydraulique, solaire...), bien qu'en pleine

expansion, resteront marginales face aux énergies fossiles. La demande en pétrole devrait

donc encore progresser de plus de 30 % d'ici 2040. Dans le même temps, l'homme prend

de plus en plus conscience que les ressources fossiles ne sont pas inépuisables. Ce paradoxe

entre la forte dépendance pétrolière du secteur énergétique et les réserves déclinantes en

hydrocarbures peut aboutir à une situation internationale extrêmement tendue.

I.2. Dérèglement climatique

Les gaz atmosphériques (CO2, H2O, CH4) absorbent la majeure partie du rayonnement

terrestre et engendrent une augmentation de la température terrestre. Ce phénomène naturel

est connu sous le nom d'"effet de serre" et permet le maintien d'une température terrestre

modérée.

4

Cependant, depuis la révolution industrielle, l'augmentation rapide de l'activité

humaine a eu pour conséquence le rejet d'une quantité importante de dioxyde de carbone

(CO2) dans l'atmosphère. Cet accroissement de la concentration en CO2 atmosphérique, connu

sous le nom d'"effet de serre additionnel", est considéré comme l'acteur principal de

l'élévation récente de la température terrestre moyenne. Les conséquences prévus de ce

réchauffement climatique étant préoccupantes (élévation du niveau de la mer, extinction accru

d'espèces animales, diminution des ressources en eau...), de nombreux pays ont décidé de

réduire leurs émissions de gaz à effet de serre. En particulier, l'Union Européenne s'est

fixé pour objectif une diminution de 20% de ses gaz à effet de serre d'ici 2030.

I.3. Une réglementation de plus en plus stricte

Le transport routier est également mis en cause en ce qui concerne les émissions

polluantes. Les polluants réglementés rejetés par les automobiles sont le monoxyde de

carbone (CO), les hydrocarbures imbrûlés (HC), les oxydes d'azotes (NOx) et les particules.

Ces composés ont un fort impact sur la qualité de l'air et la santé humaine. Ils font donc l'objet

de réglementations de plus en plus sévères. Les constructeurs automobiles se

retrouvent donc devant un double défi : d'une part limiter les émissions de CO2 et d'autre part

réduire les émissions de composés polluants. Une des solutions envisageables à court terme

pour relever ce défi passe également par l'utilisation de biocarburant.

Face à une telle menace environnementale croissante, une législation apparue dans les

années 1970 oblige les constructeurs de moteurs à limiter les émissions polluantes de gaz. La

solution consiste à réintroduire des gaz brûlés dans les cylindres via un dispositif de

recyclage. Il existe deux méthodes pour recycler les gaz d'échappement dans le cylindre : le

recyclage externe, dans ce cas les gaz sont dérivés par un conduit spécifique et le recyclage

interne réalisé en ajustant l'ouverture des soupapes (les échanges de gaz s'effectuent pendant

le croisement des soupapes).

5

Partant de ce principe les chercheurs ont mis en place plusieurs technologies permettant de contrôler

et de réduire ces gaz polluants par action sur le :

Fonctionnement du moteur avec un mélange pauvre. Cette solution entraîne la baisse

de la température des gaz dans le cylindre lors de la combustion d’où réduction des

oxydes d’azote.

La technique de l’EGR qui consiste à abaisser la température par introduction d’une

partie des gaz d’échappement combinés à l’air dans la chambre de combustion [1]. La

plupart des chercheurs ont travaillé avec l’EGR et leurs travaux ont permis d’avoir des

résultats satisfaisants dans la réduction optimale des gaz polluants d’échappement.

Figure I-1 : Evolution des normes européennes antipollution pour véhicule Diesel

6

I. 4. Revues bibliographiques

L’utilisation des biocarburants présentent un bon nombre d’avantages car contrairement au pétrole, les

biocarburants sont totalement et rapidement biodégradables, donc ne pourraient en aucun cas

provoquer une marée noire. Les huiles de friture usagées ne contiennent pas d’azote et très peu ou pas

du tout de soufre (qui retombe sous forme d’acide sulfurique et agresse les toitures et dégradent

notamment les façades des monuments). Le soufre est également responsable des pluies acides. Les

huiles végétales ne contiennent pas de métaux lourds et pas de benzène. Ainsi, carburer aux huiles

végétales entraîne une diminution immédiate de la pollution générée par les gaz d’échappements des

moteurs. D’autre part, le protocole de Kyoto impose des restrictions, concernant les émissions de 2CO

, qui peuvent être satisfaites, puisque le 2CO rejeté par la combustion d’huiles végétales dans les

moteurs a déjà été absorbé lors de la croissance de la plante, contrairement à l’utilisation des produits

fossiles.

Ainsi, l’emploi généralisé d’huiles végétales comme carburants permettra de réduire la dépendance

énergétique des pays qui pourront produire sur place leur propre carburant « vert » [1].

Il convient tout de même de souligner que l’emploi des huiles végétales comme combustibles ne date

pas d’aujourd’hui. En effet, Rudolf DIESEL, l’inventeur du moteur qui porte son nom, avait conçu et

vérifié le bon fonctionnement dudit moteur à l’huile végétale (plus précisément à l’huile d’arachide)

en 1892. Ce moteur fût présenté à Paris en 1900 lors de l’exposition coloniale.

En 1912, Rudolf DIESEL déclarait : « le moteur diesel peut être alimenté avec des huiles végétales

et sera en mesure de contribuer fortement au développement de l'agriculture des pays qui

l'utiliseront ».

Notons que des moteurs diesels ont fonctionné avec des huiles végétales comme carburant

pendant la deuxième guerre mondiale. De même à Ampefy lors du transport des récoltes on a employé

de l’huile d’arachides filtrée comme carburant des tracteurs par contre pour les transporteurs l’huile

alimentaire faisait un additif au gasoil pour les taxi-brousses.

7

I.5. Les moteurs diesel

La combustion est la décomposition d’une substance carbonée par la chaleur et l’inflammation des gaz

émanant de cette décomposition pour produire la chaleur .Selon la forme de la chambre de combustion,

on distingue deux types de moteur diesel :

les moteurs à injection directe

les moteurs à injection indirecte

I.5.1. Les moteurs à injection directe

Le carburant est pulvérisé directement dans la chambre principale de combustion par les injecteurs. La

chambre de combustion est constituée d’une cavité située dans la tête du piston. Il y a donc injection

directe lorsque l’injecteur débouche dans le cylindre. Son rendement est supérieur à celui des moteurs

à injection indirecte. La durée de combustion est plus courte dans un moteur à injection directe. Le

taux de compression est de l’ordre de 14/1 à 17/1 et la température de la chambre de combustion

avoisine 200 - 220°C or la température du point éclair des huiles végétales est nettement supérieure à

celle de fuel et de la chambre de combustion (248°C pour l’huile de friture usagée contre 93°C pour

le gasoil). La pression d’injection varie de 180 à 400 bars. . Ils sont montés sur les tracteurs agricoles

et sur certains engins routiers.

I. 5.2.Les moteurs à injection indirecte

La combustion se déroule dans deux volumes séparés : une première chambre relativement petite qui

reçoit l’injection du carburant et où s’amorce la combustion, et une chambre principale dans laquelle

elle s’achève. La température de la chambre de combustion atteint rapidement 500 - 600°C. Ils sont

utilisés dans les véhicules automobiles, dans certains gros moteurs industriels et une très grande

gamme de petits moteurs industriels. Actuellement, ces moteurs sont minoritaires sur le marché car

leur consommation de carburant est très élevée par rapport à celle des moteurs à injection directe.

8

II : L’utilisation de l’huile végétale comme carburant

II.1. Les problèmes rencontrés dans les moteurs diesels utilisant les huiles végétales

comme carburant

II.1.1.Les propriétés physiques des huiles végétales

Le point éclair est très élevé par rapport aux fuels et au gasoil;

La viscosité est nettement supérieure à celle du gasoil. A une même température, la viscosité est

5 à 15 fois supérieure à celle du gasoil. Elle entraine le colmatage des filtres à carburant. Elle crée

également des pertes de charges très élevées par les filtres à carburant classique qui peut provoquer

une sous-alimentation des organes d’injection,

Le pouvoir calorifique relativement plus faible de 10% que celui du gasoil;

La densité relativement élevée,

Le point trouble et le point d’écoulement: dans les climats tropicaux, pas de conséquence néfaste

mais dans les climats tempérés, les filtres chauffants et lignes d’alimentation calorifugées sont

nécessaires pour toujours faire circuler l’huile dans le moteur diesel à l’état liquide.

II.1.2.Les problèmes liés à la nature chimique des huiles végétales :

Les réactions chimiques: la polymérisation et l’oxydation des huiles,

Les dépôts aux nez des injecteurs,

Encrassement dans les chambres de combustion.

Les principales différences entre les huiles et le gasoil sont une viscosité plus importante pour l’huile

surtout lorsque la température diminue. L’huile ne contient pas d’azote, pas de soufre (responsable des

pluies acides), pas de métaux lourds et pas de benzène. La qualité de l'huile utilisée pour la carburation

doit être filtrée efficacement (surtout HFU).

9

II.1.3.L’utilisation des biocarburants dans les moteurs diesels

Des travaux antérieurs effectués ont permis de citer ci-après certains techniques permettant une

utilisation facile de l’huile végétale comme carburant dans les moteurs diesels [1] :

Emulsion de l’huile avec l’eau afin de rendre plus fines les gouttelettes d’huiles au moment de la

combustion. En effet, l’eau contenue dans l’huile :

. réduit la température dans la chambre de combustion par absorption de la chaleur lors de

l’évaporation de l’eau,

. augmente la quantité de vapeur dans le cylindre et avec la pression intérieure du cylindre tout

en réduisant les pertes d’énergie dans l’échappement,

améliore la qualité de la combustion et réduit sa durée grâce aux phénomènes de micro-

explosions permettant d’obtenir des gouttelettes d’huiles beaucoup plus petites et donc des conditions

plus favorables pour la combustion.

Un retard de l’avance à injection de 5 à 8 degrés Vilebrequin par rapport au réglage du diesel

permet d’augmenter la température des gaz d’échappement de 40°C. Ce qui prouve que la température

de la chambre de combustion a également augmenté. La combustion est alors plus complète. Cette

élévation est adaptée au moteur à injection indirecte du fait de la présence de la préchambre.

Chauffage de la paroi de la chambre de combustion pour diminuer l’effet du gradient négatif de

température dans la chambre.

Chauffage de l’air de combustion.

Modification de la tête du piston

Préchauffage de l’huile à une température de 80 - 90°C. A cette température la viscosité de l’huile

diminue. Il est fort déconseillé de franchir la température de 110°C par crainte de phénomène

d’oxydation conduisant à la polymérisation.

10

Utilisation des filtres de diamètre 27 micromètres pour les huiles au lieu de 5 micromètres pour le

gazole afin de réduire les risques du colmatage. Cette dimension provient des dimensions standards

américaines ou anglaises disponibles sur le marché.

Filtrage efficace de l’huile avant son utilisation dans les moteurs.

Doter le moteur d’un système de bicarburation. Le démarrage du moteur diesel est effectué avec

du gasoil pour permettre à la chambre de combustion d’atteindre les températures élevées avant le

basculement en fonctionnement huile végétale. L’arrêt du moteur se fait aussi en mode gazole.

II.2. Formations de gaz et de solide lors d’une combustion dans un moteur diesel

II.2.1.Formation du CO

La présence de CO à l’échappement est principalement due à une combustion se déroulant globalement

ou localement en mélange riche ou due à une combustion incomplète. De façon générale le CO est un

produit de combustion [2]

II.2.2.Formation de NOx

Le terme xNO regroupe le monoxyde d’azote NO et le dioxyde d’azote 2NO . A l’échappement des

moteurs, le NO est en proportion majoritaire par rapport au 2NO (environ 90% pour 10%), cependant

ce rapport se voit souvent modifié lors de l’utilisation de systèmes de post-traitement. Lors de la

combustion d’un mélange d’hydrocarbures, des oxydes d’azote peuvent être formés .Ce processus de

formation de NO fait intervenir l’azote et l’oxygène de l’air, réagissant dans la zone des gaz brûlés en

aval du front de flamme [2].

II.2.3.Formation des hydrocarbures imbrûlés

Les émissions d’hydrocarbures imbrûlés ne proviennent pas d’une seule mais de plusieurs sources

d’émission [2] :

par piégeage des hydrocarbures dans les interstices de la chambre de combustion,

dans les zones pauvres en oxygène,

11

dans les zones d’hétérogénéité de richesse ou de basses températures,

par extinction de la flamme à proximité de la paroi

par le phénomène d’adsorption/désorption des hydrocarbures dans le film d’huile,

par les ratés de combustion.

II.2.4.Formation des particules

La formation des suies est due à une température élevée (>1400°C) couplée à un déficit local en

oxygène. Les particules sont constituées de deux parties :

une partie insoluble, la « suie », composée d’un matériau carboné solide issu de la pyrolyse de

certains hydrocarbures constitutifs du carburant,

et une partie soluble (Soluble Organic Fraction = SOF) d’hydrocarbures imbrûlés qui vont être

adsorbés sur la suie.

12

Chapitre II : Recirculation des gaz d’échappement

Les moteurs à combustion de par leur conception actuelle et leur utilisation sous diverses conditions

polluent l'atmosphère causant en partie des fumées (gaz d’échappement), lesquelles contribuent de

manière importante au réchauffement progressif de la planète terre, à l’acidité des sols et des cours

d’eau [3]. . Ces polluants comprennent les hydrocarbures imbrûlés (HC), le monoxyde de carbone

(CO), le dioxyde de carbone CO2 et les oxydes d’azote ( xNO ).

Face à une telle menace environnementale croissante, une législation apparue dans les années 1970

oblige les constructeurs de moteurs à limiter les émissions polluantes de gaz. La solution consiste à

réintroduire des gaz brûlés dans les cylindres via un dispositif de recyclage. Il existe deux méthodes

pour recycler les gaz d'échappement dans le cylindre : le recyclage externe, dans ce cas les gaz sont

dérivés par un conduit spécifique et le recyclage interne réalisé en ajustant l'ouverture des soupapes

(les échanges de gaz s'effectuent pendant le croisement des soupapes).

Partant de ce principe les chercheurs ont mis en place plusieurs technologies permettant de contrôler

et de réduire ces gaz polluants par action sur le :

fonctionnement du moteur avec un mélange pauvre. Cette solution entraîne la baisse de la

température des gaz dans le cylindre lors de la combustion d’où réduction des oxydes d’azote.

La technique de l’EGR qui consiste à abaisser la température par introduction d’une partie des gaz

d’échappement combinés à l’air dans la chambre de combustion [1].

La plupart des chercheurs ont travaillé avec l’EGR et leurs travaux ont permis d’avoir des résultats

satisfaisants dans la réduction optimale des gaz polluants d’échappement. Dans cette partie de

recherche bibliographique nous allons d’abord évoquer la technologie EGR ensuite la synthèse des

résultats de recherche obtenus

13

I. Principe de l’EGR (Exhaust Gas Recirculation)

Pour diminuer les émissions d’oxydes d’azote qui représente le plus souvent 80% à 90% des émissions

totales, mesurées directement à la sortie du moteur, il faut donc abaisser la température dans la chambre

de combustion. Pour cela, on injecte un gaz qui ne participe pas à la combustion. On prend alors de la

chaleur à la combustion pour réchauffer des gaz inertes. Cela permet d’abaisser la température des gaz

selon le refroidissement préalable des gaz recirculés. Ce procédé est donc autant plus efficace que la

chaleur spécifique du gaz (Cv) [3].

Le circuit de recirculation comprend une canalisation de communication entre le circuit

d’échappement et le circuit d’admission. La section de passage des gaz est contrôlée par une vanne

proportionnelle (Figure II.2). L’abaissement de la température dans la chambre de combustion est

fonction de la quantité et de la température des gaz recirculés si bien que certains moteurs disposent

d’un échangeur destiné à refroidir les gaz d’EGR.

II. Les différents types d’EGR et leurs effets

Il existe principalement deux types d’EGR : l’EGR à chaud (Hot EGR ) et l’EGR à froid (cold EGR).

L’EGR à chaud moins couteux, plus facile à mettre en oeuvre, il permet d’étudier l’influence de la

température des gaz sur l’engin [4].

Tandis que l’EGR avec refroidissement permet de réduire la densité des gaz recirculés avec une

meilleure diminution de la formation de xNO mais les gaz deviennent alors corrosifs. Pour ce dernier,

il existe des difficultés pour la mise en place du système de refroidissement dont le fonctionnement

n’est pas fameux à charge complète [4, 5].

L’étude avec l’EGR peut être menée sous trois angles principaux ou effets : l’effet thermique, l’effet

chimique, l’effet de dilution.

L’effet thermique se résume à une augmentation de la chaleur entrante, causée par la forte chaleur

spécifique des 2CO et OH2 , par rapport à celle des O 2 et 2N [5].

L’effet chimique est produit par la dissociation de la vapeur d’eau et du 2CO recirculés pendant la

combustion [5, 6].

14

L’effet dilutif est causé par la diminution de la concentration en O2 à l’entrée, ce qui a pour

conséquence de ralentir la vitesse de mélange entre le carburant et l’oxygène [6, 7].

III. Synthèse des résultats de recherche obtenus avec les systèmes EGR

Les résultats des chercheurs Venkateswarlu et Murth ont montré qu’il ya plus d’émission d'oxyde

d’azote ( xNO ) avec un moteur diesel ID monocylindre fonctionnant avec du biodiesel (Jatropha) sans

EGR qu’avec un EGR monté sur le même moteur [8]. Les émissions de xNO ont été réduites de 5-

25% avec branchement d’un EGR HOT sur le circuit d’échappement. Cette étude a pu optimiser l’EGR

avec un taux de recirculation de 15% produisant une réduction suffisante des émissions de xNO , CO,

HC [8]. Les émissions de fumée avec JBD (Biodiesel de Jatropha) dans la région de charge supérieure

sont plus faibles que le diesel, quel que soit le niveau EGR. Cependant, celles-ci sont plus élevées dans

la région de faibles charges [8].

Pascal GIANSETTI a montré que la formation des xNO dépend de la température des gaz mais

également de la composition du mélange. Les émissions de xNO sont très faibles pour des mélanges

pauvres. Il a aussi remarqué que les émissions de xNO diminuent avec l’augmentation du taux d’EGR.

Il ajouta aussi que l’abaissement de la température dans la chambre de combustion est fonction de la

quantité et de la température des gaz recirculés. Une quantité de gaz d’échappement recirculés trop

importante engendre une combustion incomplète produisant de grosse quantité de polluants [9].

Sorenson et Al [10] montrent qu’un taux de recirculation de 30% permet de réduire la quantité de NO

de 90%. Pour Pradeep V et Al [4], jusqu’à 10%, le taux d’EGR est insuffisant, et à partir de 20%, il

réduit les performances du moteur (utilisation de biodiesel et EGR à chaud). Pour M. Zheng et Al [11],

il existe un lien entre la charge et le taux d’EGR, donc ce dernier devrait varier en fonction de la charge

: un taux faible d’EGR, pour de fortes charges, et un fort taux d’EGR pour de faibles charges, ce qui

permet d’obtenir une baisse de la quantité de xNO et de particules [12].

D’après H Peng, Yi Cui, Lei Shi et Kangyao Deng, l’introduction d’une certaine quantité d’EGR

lorsque la combustion dans le moteur est très stable permet de réduire considérablement les émissions

xNO et de maintenir le rendement de combustion de ce dernier [13].

15

Au regard des différentes analyses effectuées, nous pouvons dire que la plupart des scientifiques optent

pour un taux de recirculation de 15%, qui d’après eux est l’optimum, quel que soit le carburant utilisé

[4, 7, 14].

Les scientifiques Ming Zheng, Graham T. Reader et J. Gary Hawley ont trouvé qu’un taux très élevé

de gaz recirculés crée une instabilité du moteur entraînant une augmentation des émissions de carbone

et de pertes de puissance. Ils ajoutèrent qu’une réduction d’oxyde d’azote xNO entraîne une

augmentation de matières particulaires (utilisation gasoil et EGR à froid) [11].

Toutes les études trouvées dans la littérature s’accordent sur le fait que l’utilisation de

l’huile végétale, avec des proportions raisonnables n’entraîne aucun problème majeur de

fonctionnement des moteurs Diesel. La forte volatilité et le faible cétane de l’huile végétale

engendrent une flamme de pré-mélange plus tardive et intense tandis que l'augmentation du taux

d'oxygène dans le carburant accélère la combustion diffusive.

Les recherches bibliographiques ont permis de parcourir les travaux effectués avec les procédés de

recirculation des gaz d’échappement. A travers cette recherche, les scientifiques ont pu mettre en

œuvre la corrélation qui lie les gaz nocifs et la combustion ainsi que le processus à mettre en œuvre

pour leur réduction. Les chercheurs ont obtenu des résultats significatifs avec

les systèmes EGR pouvant aller jusqu’à 90% de réduction d’oxyde d’azote dont les

conséquences peuvent impacter sur le fonctionnement du moteur si le taux de recirculation est

élevé. Des études ont permis de trouver la valeur optimale du taux de recirculation pour une

meilleure efficacité des EGR. La plupart des recherches ont été menées avec du gasoil ou du

biodiesel soit pur ou mixte et pratiquement pas avec des huiles végétales pures d’où l’enjeu de

notre mémoire. L’objectif visé par ce mémoire est d’étudier voir optimiser la recirculation

des gaz d’échappement dans un moteur diesel ayant comme combustible les huiles

végétales afin de contribuer à un renforcement documentaire des publications agro-

carburants.

16

Chapitre III : Influences et impacts des gaz recirculés et de

l’HFU sur les paramètres de fonctionnement du moteur

I. L’utilisation des gaz brulés en combustion

Afin de réaliser une combustion homogène Diesel et conserver un rendement moteur élevé, un fort

taux d'EGR est utilisé dans le but de retarder l'auto-inflammation jusqu'à une valeur proche du PMH,

et de réaliser une combustion basse température. Il a été montré que, globalement, l'ajout de gaz brûlés

permet de retarder l'initiation de la combustion, de diminuer la température au cours de la compression

et de la combustion, et d'augmenter la durée de combustion

Actuellement, l'EGR est utilisée avec trois objectifs :

° diluer le mélange air/carburant, ce qui permet de retarder l'auto-inflammation selon le degré

voulu,

° "préchauffer" les gaz à l'admission car les gaz brûlés réadmis sont légèrement plus chauds que

les gaz frais,

° et faire varier la capacité calorifique du mélange air-carburant du fait de la présence de

CO2 et de H2O présents dans les gaz brûlés (et qui ont un Cp différent de celui de l'air

N2-O2).

I.1.Un effet de dilution

L'effet de dilution provoqué par la présence de gaz recyclés est important. En effet, les gaz EGR

contiennent moins d'oxygène que l'air ambiant, ce qui aboutit lors du mélange gaz frais oe gaz

brûlés à un appauvrissement de la teneur en oxygène car l'oxygène est alors remplacé par des

molécules "neutres" telles que CO2 ou H2O. Cela entraîne alors une augmentation du délai d'auto-

allumage et une diminution du pic de pression et de température.

17

I.2.Un effet de la variation de capacité calorifique

Comme des molécules de CO2 et de H2O sont présentes en quantité importante dans les gaz brûlés et

que ces deux espèces ont une capacité calorifique supérieure à celle de l'air frais, leur présence va

réduire la température lors de la compression et la combustion. L'évolution de la température durant

le cycle moteur va donc s'en trouver modifiée. Cette combustion à des températures plus faibles va

entraîner directement une baisse du niveau d'émission des NOx.

I.3.Un effet de "préchauffe"

Afin de pouvoir utiliser de forts taux d'EGR, les gaz EGR sont, dans la plupart des cas, refroidis.

En effet, le refroidissement de ces gaz permet de s'affranchir de problèmes de remplissage pouvant

nuire au rendement moteur. Cependant, malgré un refroidissement important, les gaz EGR réadmis

sont plus chauds que les gaz frais, d'où un effet de préchauffe. De plus, dans certains cas, du fait

de problèmes d'encrassement et de condensation, le choix retenu a été de peu refroidir les gaz

EGR. Cet effet de préchauffe entraîne une diminution du délai d'auto-inflammation et une

diminution de la durée de combustion [15].

II. La chimie de l'EGR

Comme présenté dans l'introduction, une fraction des gaz d'échappement est recyclée dans le but

de diminuer les émissions de NO et de particules. Ces gaz d'échappement sont recyclés à fort taux

dans une optique de dilution afin qu'une combustion homogène Diesel soit possible. Cependant,

face aux problématiques actuelles de contrôle de la combustion, de nouvelles études sont menées

afin de mieux comprendre l'influence de ces gaz et ainsi pouvoir les utiliser de manière optimale.

Il s'est alors avéré que certaines espèces composantes de ces gaz recyclés pourraient avoir une

influence chimique sur les mécanismes de combustion.

18

II.1.La composition des gaz brûlés recyclés

A l'heure actuelle, de nombreuses études prennent comme hypothèse que ces gaz brûlés sont

uniquement constitués de N2, CO2, H2O et O2, et même parfois uniquement de N2 et CO2 [12] afin

souvent de simplifier les hypothèses de simulation.

Cependant, la combustion dans les moteurs est incomplète et n'aboutit pas uniquement à des

émissions de H2O et CO2. Les gaz d'échappement correspondent plutôt à un mélange de CO2 , H2O,

N2, CO, O2 , NO, NO2 , HC imbrûlés, aldéhydes, cétones, particules et autres produits d'oxydation

incomplète.

Actuellement, seules certaines espèces ont fait l'objet d'une étude approfondie de leur réactivité au

contact d'un mélange air-carburant. On peut citer, entre autres : CO2, CO, H2O, N2, NO, CH2O et

quelques hydrocarbures imbrûlés légers.

II.2. Impact des espèces inertes : CO2, N2 et H2 O

Le CO2, N2 et la vapeur d'eau constituent les espèces majoritaires des gaz recyclés. Ces trois

principaux gaz sont considérés comme des espèces "inertes" d'un point de vue réactionnel mais

peuvent cependant impacter la cinétique globale des mécanismes d'oxydation. CO2 et la vapeur

d'eau ont ainsi un impact sur l'oxydation des hydrocarbures surtout à travers la dilution et grâce à

leur Cp très supérieur au Cp de l'air ambiant. Cependant, ils peuvent avoir aussi un rôle d'oxydant.

Les effets de CO2 et de la vapeur d'eau sur la combustion sont donc très proches : ils retardent

l'initiation, diminuent le pic de dégagement de chaleur et donc allongent la durée de combustion

[12] (Figure I.2). Il en est de même pour N2 mais qui n'a qu'un effet de dilution. La présence de N2

n'entraîne alors qu'une diminution du pic de dégagement de chaleur et un allongement de la durée

de combustion [12] (Figure I.2).

19

Figure I.2: Influence de la présence de CO et de N sur l'initiation et le déroulement de la

combustion

II.2.1.impact de CO

II.2.1.1. Mécanisme d'oxydation de CO

Le mécanisme d'oxydation de CO est constitué de réactions en chaîne faisant intervenir les

radicaux OH°, HO2 °et H°. L'oxydation de CO se fait essentiellement via les réactions suivantes :

Réaction II.2.1: CO + OH° → CO2 + H°

Réaction II.2.2: CO + HO2 ° → CO2 + OH°

Néanmoins, le mécanisme suivant intervient aussi :

Réaction II.2.3: CO + O2 → CO2 + O

Réaction II.2.4: O + H2O → OH° + OH°

Ainsi, la présence de CO en quantité importante dans les gaz brûlés pourrait favoriser l'allumage

du carburant en transformant HO2 ° en OH° (Réaction II.2-2). De plus, comme le couplage de la

Réaction II.2-3 et de la Réaction II.2-4 entraîne un mécanisme de propagation par la production

de radicaux OH°, le CO pourrait avoir un pouvoir accélérateur.

20

II.2.1.2.Impact de CO sur la combustion

Malgré un effet chimique théoriquement possible de CO, Glassman [12] montre que même avec un

ajout de 1000ppmv de CO, il n'y a aucun effet sur l'oxydation du n-heptane, de l'isooctane, du méthanol

et du toluène pour des expériences en réacteur auto-agité. Ce phénomène peut s'expliquer par le fait

que les réactions des espèces radicalaires sont beaucoup plus rapides avec RH qu'avec CO.

Ceci pourrait alors atténuer l'effet attendu de CO. Ces résultats ont été corrélés par simulation avec du

PRF40 réalisée par Johnson et al. [14]. Cette absence d'influence de l'ajout de CO pourrait être

expliquée par le fait que la Réaction II.2-1 et la Réaction II.2-3, productrices de radicaux H° et O°,

sont contrebalancées par la Réaction II.2-5, productrice de HO2 °, radical moins réactif :

Réaction II.2.5: H° + O2 + M→ HO2 ° + M

Toutefois, Glassman et Johnson [12,14] ont montré un impact de l'ajout de CO dans une combustion

avec pour carburant du méthane. On notera ici que le méthane est l'hydrocarbure le moins réactif.

L'ajout de CO entraîne une durée de combustion moindre (Figure I.3), une augmentation du délai

d'auto-inflammation, ainsi que des pics de pression, température et dégagement de chaleur plus

marqués (Figure I.3).

Figure I.3 : Durée de combustion selon la fraction molaire de CO initial

21

Cette influence du CO sur la combustion HCCI a été corrélée par une étude expérimentale de H. Zhou,

A.D. Jensen [26] avec du DME qui montre que plus les teneurs ajoutées de CO sont élevées, plus le

délai d'auto-inflammation est élevé, plus la durée de combustion est raccourcie, et plus les pics de

pression et de température sont élevés.

II.2.2.Impact des NOx

L'influence des oxydes d'azote sur l'initiation et le déroulement de la combustion a surtout été étudiée

dans des réacteurs auto-agités par jets gazeux, brûleurs à contre-courant, réacteurs à écoulement mais

peu sur banc moteur. De plus, les études ont surtout été menées avec NO, celui-ci étant l'oxyde d'azote

majoritaire dans les gaz d'échappement.

II.2.2.1.Mécanisme réactionnel de NO

a).Régime des basses températures

Il semblerait qu'à basse température, deux mécanismes réactionnels soient possibles, un

inhibiteur (Réaction II.2-6, ou la Réaction II.2-7 suivie par la Réaction II.1-8) et un promoteur

(soit la Réaction II.2-7 suivie par la Réaction II.2-9, ou soit la Réaction II.2-10) :

Réaction II.2.6: NO + OH° + M→ HONO + M

Réaction II.2.7: NO + RO2° → NO2 + RO°

Réaction II.2.8: R° + NO2 → RNO2

Réaction II.2.9: NO2 + H° → OH° + NO

Réaction II.2.10: NO+ HO2 ° → NO2 + OH°

22

b).Régime des températures intermédiaires et hautes températures

Dans le domaine des températures intermédiaires et des hautes températures, le mécanisme

d'oxydation du NO se fait via les radicaux HO2 ° (Réaction II.2-10 suivie par la Réaction II.2-9),

produits en grande quantité dans le domaine NTC.

Ces radicaux HO sont alors oxydés en OH, radical beaucoup plus réactif, ce qui pourra permettre une

accélération de l'oxydation des hydrocarbures en présence.

Ainsi, à basse température, il semblerait que la présence de NO pourrait avoir un effet inhibiteur ou

accélérateur sur la combustion selon les conditions d'expérience, tandis qu'à températures moyennes

ou supérieures, l'effet serait promoteur.

II.2.2.2.Impact de la présence de NO à basse température

De nombreux auteurs ont étudié l'impact de NO sur l'oxydation des hydrocarbures. Ces études ont été

réalisées dans des réacteurs auto-agités par jets gazeux ou par flux laminaire. L'impact de NO s'avère

complexe car il dépend des conditions d'expériences. Mais, globalement, il est montré qu'à faible

concentration de NO, l'effet est promoteur tandis qu'à forte concentration de NO, l'effet est inhibiteur

[15].

Pour l’effet promoteur, cela se traduit par une oxydation des hydrocarbures débutant à plus basse

température et se déroulant plus rapidement, tandis que l’effet inhibiteur se traduit par un retard

sur l’oxydation dans le domaine de « flamme froide ».

II.2.2.3. Impact de la présence de NO à haute température

Pour ce qui est de l’impact de la présence de NO à haute température, les différentes expériences

menées montrent un effet promoteur de la présence de NO (figure I.4). En effet, le NO entrâine

une réduction du domaine de NTC, et une oxydation des hydrocarbures plus rapide en présence de

NO dans le domaine des hautes températures.

23

Figure I.4 : Impact de la présence de NO selon sa concentration sur l’oxydation de l’isooctane

II.2.2.4.Impact de la présence de NO sur une combustion en moteur

L’influence du NO sur la combustion des hydrocarbures dans les moteurs entraîne une diminution

du délai d’auto-inflammation dans le cas d’une faible concentration ajoutée, mais dans les le cas

d’une forte concentration ajoutée, le délai d’auto-inflammation n’est quasiment pas influencé par

la présence de NO (Figure I.5)

Figure I.5: Effet de l’addition de NO sur la température cylindre

24

II.2.2.5.Impact de la présence de NO2 sur une combustion en moteur

Le NO2 étant en quantité négligeable à l’échappement, très peu d’études ont été réalisées sur son

effet possible.

Le NO2 a pour effet de diminuer le délai d’initiation d’une combustion avec du méthane et de

diminuer le délai d’auto-inflammation.

Figure I.6 : Influence de l’addition de NOx sur la pression cylindre

II.2.3.Impact du formaldéhyde CH2O

Des aldéhydes sont présents dans les gaz brûlés du fait de la combustion incomplète des hydrocarbures

dans les moteurs. Le formaldéhyde est l’aldéhyde principalement émis par les moteurs automobiles

.Le plus souvent, la quantité totale émise d’aldéhydes ne dépasse pas quelques dizaines de ppm.

Le formaldéhydes diminuerait le dégagement d’énergie pendant la flamme froide et rallongerait le

délai d’auto-inflammation. Par contre, il aurait tendance à augmenter le dégagement de chaleur lors de

la flamme chaude et à diminuer la durée de combustion.

25

II.2.4.Impact des hydrocarbures imbrûlés

Très peu d'études ont été réalisées sur l'impact des hydrocarbures imbrûlés des gaz EGR sur la

combustion. Les hydrocarbures imbrûlés ont, en majorité, une structure plus légère que les

hydrocarbures admis en tant que carburant. Ces hydrocarbures, souvent de type paraffines

linéaires, peuvent avoir, dans certains cas, une réactivité plus élevée que les hydrocarbures entrant

dans la composition des carburants ce qui pourrait permettre une accélération des réactions

d'oxydation du mélange.

II.2.4.1.Impact de l'ajout de méthane

J.T. Kashdan, S. Mendez, et G. Bruneaux [27], montrent quant à eux seulement un effet inhibiteur du

méthane sur une combustion avec du DME. En effet, la présence de méthane entraînerait une

augmentation de délai d'auto-inflammation, mais aussi une augmentation du pic de pression et de la

température cylindre, ainsi qu'un dégagement de chaleur plus élevé du fait de la diminution du domaine

de la flamme froide qui devient inexistante à forte injection de méthane (Figure I.7).

Une étude de C.T. Bowman [17] montre que l'impact de l'ajout de méthane est quasi inexistant sur

les différents carburants testés, cela pouvant provenir du fait que la réactivité du méthane est très faible

face à la réactivité du n-heptane, de l'isooctane et du toluène.

26

Figure I.7: Variation du taux d'introduction du méthane sur la pression cylindre, la température

cylindre et le dégagement de chaleur.

II.2.4.2.Impact de l'ajout d'hydrocarbures plus complexes

D'après C.P. Fenimore [21] il semblerait que les hydrocarbures imbrûlés (dans leur cas, le mélange

d'hydrocarbures était constitué de : 4ppmv de CH4, 5ppmv de C2 H4, 0,4ppmv de C2 H6, 4ppmv de

C2 H2, 1,5ppmv de C3 H6, et 1,2ppmv de 1-C4 H8) puissent avoir un effet promoteur de la

combustion de certains carburants. En effet, au-dessus de 850K, l’introduction d'hydrocarbures

imbrûlés, en réacteur parfaitement agité, entraîne une accélération des réactions d'oxydation de

l'isooctane et du toluène. Cependant, cette introduction n'a aucun effet sur du n-heptane. De même,

en dessous de 850K, il n'y a aucune influence des hydrocarbures imbrûlés introduits sur le

déroulement de la combustion.

27

L'effet de l'ajout d'éthane sur une combustion de méthane est relativement faible, mais l'effet est

accélérateur. Il est à noter que, plus la pression d'essai est élevée, plus l'effet accélérateur de l'ajout

d'éthane est perceptible.

Ainsi, certaines espèces composantes de l'EGR semblent avoir un effet inhibiteur ou promoteur

sur l'initiation et le déroulement de la combustion (Tableau I.1). Cependant, la majorité des essais

réalisés pour comprendre l'impact de ces espèces a été réalisée avec des moyens d'essais différents,

ce qui pourrait modifier l'importance de l'impact de l'ajout de ces espèces par la recirculation de

gaz brûlés. De plus, souvent ces espèces n'ont pas été étudiées dans des gammes réalistes de teneurs

à l'échappement.

28

Tableau I.1 : Récapitulatif de l’influence de certaines espèces sur l’initiation et le déroulement de

la combustion

Espèce ajoutée Impact sur l’initiation de la

combustion

Impact sur le déroulement de

la combustion

CO2/ H2O (gaz inertes) ↑délai d’auto-inflammation ↓Pic de dégagement de

chaleur

↑Durée de combustion

N2 (gaz inerte) Pas d’impact ↓Pic de dégagement de

chaleur

↑Durée de combustion

CO ↑délai d’auto-inflammation

pour une combustion

↑Pic de dégagement de

chaleur

↓Durée de combustion

NO A basse températures :

Si faible concentration

↓délai d’auto-inflammation

Si forte concentration :

↑délai d’auto-inflammation

A haute température :


Non connu

NO2 ↓délai d’auto-inflammation Non connu

CH2O Si combustible avec flamme

froide :

↑délai d’auto-inflammation

Si combustion sans flamme

froide :


Si combustible avec flamme

froide :

↑Pic de dégagement de

chaleur

↓Durée de combustion

CH4 ↑délai d’auto-inflammation

Pour une combustion avec du

DME

Disparition de la flamme

froide et ↑délai d’auto-

inflammation

29

II.2.5.Impact de l'incorporation d'EMHV

II.2.5.1.Influence de l'incorporation d'EMHV sur la combustion

L'incorporation d'EMHV dans la composition du carburant n'entraîne que peu de modification de

l'initiation et du déroulement de la combustion (Figure I.8). Cependant, l'étude de différents points de

fonctionnement nous a permis de constater que l'incorporation d'EMHV permettait d'initier la

combustion légèrement plus tôt (flamme froide ou combustion principale) (Figure I.9) : un avancement

de l'initiation de la combustion principale pouvant atteindre -0,4°V pour l'incorporation de 1%

d'EMHV, et pouvant atteindre -1,2°V pour l'incorporation de 10% d'EMHV. L'influence de

l'incorporation d'EMHV sur l'initiation de la combustion est donc relativement faible. De plus,

l'incorporation de 1% d'EMHV n'a pas de réelle influence sur la durée de fin de combustion, tandis

que l'incorporation de 10% permet de rallonger la durée de fin de combustion de 3,6°V à 5,3°V pour

les points de fonctionnement étudiés.

Figure I.8 : Influence sur la combustion de l'incorporation de 1% et 10% d'EMHV dans

le carburant (1500tr/min, =0,73, PMI=3bar)

30

II.2.5.2.Récapitulatif de l'influence de l'incorporation d'EMHV

Ainsi l'incorporation de 1% et 10% d'EMHV dans le carburant n'entraîne pas de variation importante

sur l'initiation de la combustion ni de la composition des gaz brûlés, mais par contre permet de

rallonger significativement la durée de fin de combustion (pour une incorporation de 10%). En effet,

la présence d'EMHV semble entraîner une légère diminution du délai d'auto-inflammation de la

combustion principale, ainsi qu'une très légère diminution des HC totaux (maximum 7%). Il ne semble

pas qu'il y ait de réel impact de la présence d'EMHV sur les teneurs en NO, en acétone, ainsi que sur

les aldéhydes autres que le formaldéhyde.

31

Conclusion partielle

Ce chapitre bibliographique a permis de présenter de manière non exhaustive les principaux travaux

de littérature portant sur les paramètres influençant la combustion ainsi que ceux étudiant l'influence

de certaines espèces composantes de l'EGR sur les mécanismes d'oxydation des hydrocarbures. Il

résume aussi une connaissance sur l’utilisation de biocarburant, on y trouve les enjeux et l’utilité du

passage à la biocarburation. Le biocarburant possède toutes les conditions requises pour la

transformation pour pouvoir être utilisé dans les moteurs diesel non modifiés ainsi que dans diverses

applications à base de combustibles. Le contrôle de la combustion se fait actuellement, entre autres,

par un fort taux d'EGR. Malgré une utilisation intensive de ces gaz brûlés dans les moteurs actuels,

peu d'études ont été menées, jusqu'à ce jour, sur l'impact chimique de la composition des gaz EGR sur

l'initiation et le déroulement de la combustion.

32

Partie II : REALISATIONS PRATIQUES

Dans cette partie on va aborder la réalisation qui a accompagné l’étude théorique de ce présent

travail, il est alors judicieux de parler des dispositifs utilisés et des différents moyens qui ont

contribué à l’obtention des résultats.

33

Chapitre I : Dispositifs expérimentaux

Afin d'étudier la composition des gaz brûlés ainsi que leur influence sur l'initiation et le déroulement

de la combustion, un dispositif expérimental a été utilisé : un moteur monocylindre diesel associé à un

alternateur monophasé. L‘utilisation de ces dispositifs permet une approche sur l'effet des gaz brûlés

recirculés.

Les différents appareils, leurs caractéristiques, ainsi que les différentes méthodes seront étudiés.

Notons que l’ensemble des essais réalisés a un total de 22 soit plus de 120 mesures.

I. Moteur monocylindre

I.1.Caractéristiques du moteur utilisé

I.1.1.Configuration du moteur Le moteur est accouplé à un alternateur monophasé qui débite dans des charges résistives.

(FigureII.1)

Figure II.1 : moteur accouplé à un alternateur monophasé

34

Les caractéristiques techniques du groupe électrogène sont récapitulées dans le tableau II.1 ci-

dessous :

Tableau II.1: Caractéristiques du groupe

MOTEUR DIESEL

Désignation

Caractéristiques

Type

SHUHE 100N, quatre temps, refroidi

par eau

Combustion

Injection indirecte

Nombre de cylindres

01

Alésage

90mm

Course

88mm

Cylindrée

1120 cm3

Puissance maximale

12.35 kW à 2200 tr/mn

Taux de compression

17,5 : 1

Vitesse de rotation

2200 tr/mn

Couple maximum

6 kgm

35

ALTERNATEUR MONOPHASE

Désignation

Caractéristiques

Type

SANTO type ST-5

Puissance

5 kVA

Cos ᵠ

1.0

fréquence

50Hz

RPM

1500

Tableau II.2: Caractéristiques du système d'injection utilisé

Système d'injection Injection indirecte

Nombre de trous 6

Diamètre des trous 0,14mm

Angle de nappe 60°

Perméabilité de l'injecteur 340mL/30s/100bar

Les différentes études menées lors de ce mémoire ont nécessité l'intervention d’un professionnel

dans la cellule avec le moteur tournant. Du fait de ces conditions expérimentales, les conditions

de fonctionnement du moteur ont été limitées afin de s'affranchir de tout problème de sécurité. Le

domaine de fonctionnement en mode conventionnel étant déjà plus limité, ces contraintes ont

restreint encore plus les gammes de fonctionnement. Les limites de certains paramètres ont été définies

par expériences, tels que la température d'admission ou la richesse, car ne présentaient pas d'impact

sur la sécurité mais, selon les valeurs, le moteur fonctionnait en mode conventionnel. Les différents

domaines de réglages possibles sont présentés dans le tableau suivant :

36

Tableau II.3 : Domaines de fonctionnement possibles avec ce moteur

Paramètres Domaine d'utilisation

Pression pompe 100 à 300bar

Température admission 45 à 70°C

Richesse 0,5 à 0,8

Régime moteur 750 à 2000rpm

PMI 3 à 6bar

Les gaz frais et les gaz recyclés sont préalablement mélangés au niveau du plénum avant d'être admis.

La pression du plénum est réglée manuellement afin d'obtenir des conditions opératoires identiques,

indépendantes de la variation de la pression atmosphérique et de la variation du taux d'EGR.

Les températures admission et échappement sont, quant à elles, mesurées via des thermocouples. Le

relevé est en fait une moyenne de valeurs sur 30s. La température cylindre n'est pas mesurée mais

calculée via le logiciel CAT Electronic Technician grâce aux lois de la thermodynamique. Le logiciel

de calcul CAT Electronic Technician est brièvement présenté dans l'Annexe I. La richesse est, elle,

calculée par la baie 5 gaz par comparaison entre les différentes mesures de polluants.

II. Les instruments

Pour mener nos différents essais, nous disposons du matériel (voir annexe 3) suivant :

- Des matériels d’acquisition de températures : ALMEMO constitué de plusieurs sondes, un

thermocouple, une sonde indépendante.

- Un analyseur de gaz : le SEITRON 100 BE GREEN, indispensable pour les mesures de

gaz dont les valeurs sont utiles pour le calcul du taux d’EGR,

- Un chronomètre,

- Un ordinateur (logiciel CAT Electronic Technician)

- Un multimètre

37

Le système EGR étant monté, nous avons placé des valves de température au niveau de

l’admission d’air neuf ; à la sortie du système EGR ; à l’entrée de l’admission ; à la sortie de la

chambre de combustion. ; au niveau du tuyau d’échappement, et à la sortie du

système EGR, afin qu’ils puissent accueillir les outils de prélèvement de gaz, qui recueillent

les concentrations ou pourcentages des différents gaz, ainsi que les températures en différents

points.

III. L’EGR

La sonde de l’analyseur de gaz est placée à l’entrée de l’admission pour mesurer la concentration en

CO2 de l’air entrant, ensuite nous la placerons au niveau du tuyau d’échappement pour lire la

concentration en CO2 à la sortie.

Ces deux mesures permettent de calculer à tout instant, le taux d’EGR, par la formule :

Pour calculer la réduction du NOx on applique la formule suivante :

La régulation du taux d’EGR, est possible de deux manières :

- en modifiant le débit des gaz recirculés au niveau de la vanne : réglage manuel

- en modifiant le débit de l’air neuf à l’aide d’un couvercle coulissant installé à l’entrée de

l’admission de l’air neuf, afin de permettre une meilleure régulation du mélange.

100_2_2

_2_2

% xCOCO

COCOTx

airEGR

airadm

EGR

100*_

__

egrsans

egravecegrsans

réductionNOx

NOxNOxNOx

38

III.1.Configuration du circuit EGR

Le moteur est équipé d'un circuit de recirculation des gaz d'échappement avec un échangeur permettant

de réguler la température des gaz brûlés avant leur réadmission (FigureII.2). Le circuit EGR est un

circuit de 750mm de long et de 21 mm de diamètre intérieur. L’échangeur est refroidi par eau à environ

5°C, ce qui permet d'obtenir une gamme étendue de régulation en température pour les gaz brûlés et

donc aussi une gamme étendue en température à l'admission. Dans la plupart des cas (sauf cas de

l'étude de l'impact de la température), la température des gaz brûlés en sortie de l’échangeur est

constante à 70°C. Le flux des gaz brûlés qui sont recyclés est contrôlé mécaniquement par une vanne

placée vers la sortie du circuit.

Figure II.2 : Modélisation du circuit EGR équipant le moteur d'essai

Du fait du taux de recirculation, 20% les débits de gaz recyclés sont assez élevés, ainsi, même si le

circuit est relativement long, le temps de passage de ces gaz dans le circuit n'excède pas 0,30s.

39

Le taux d'EGR est mesuré grâce à l'analyseur SEITRON 100 BE GREEN, via la mesure précise de la

teneur en 2CO à l’admission, équipé d'un filtre en céramique spécifique pour ce relevé. La variation

cycle à cycle du moteur ayant été évaluée à moins de 3%, cette variation cycle à cycle entraîne ainsi

une variation de la combustion, et donc aussi, peut-être, sur la composition des gaz EGR. Cependant,

il a été supposé que la variation de la composition des gaz EGR était négligeable car elle était déjà

prise en compte dans l'estimation de la répétabilité des essais et parce que cette variation cycle à cycle

était faible.

La mesure du taux d 'EGR est calculée à partir des teneurs en 2CO via la relation suivante :

Le filtre utilisé pour la mesure du taux d'EGR ayant des pores fins, il s'encrasse facilement. Les valeurs

relevées au niveau du banc moteur sont alors légèrement faussées au fur et à mesure des essais. Pour

remédier à ce problème, le filtre est changé chaque essai, et les cinq premiers relevés de taux d'EGR

sont supposés juste. Ces premières valeurs relevées servent alors à recalculer les taux d'EGR des autres

essais ayant comme caractéristiques communes : le régime moteur N, la richesse ɸ, la pression

admission Padm et la température admission Tadm.

Le calcul du taux d'EGR est explicité dans l'Annexe II. Il est important de noter que la déviation des

valeurs entre le taux d'EGR mesuré et le taux d'EGR calculé a toujours été inférieure à 10% même

pour les points extrêmes sujets à de forts encrassements. Cependant, les valeurs de taux d'EGR

indiquées dans la suite sont les valeurs recalculées.

IV. Les carburants

Pour un fonctionnement en bicarburation, nous utiliserons deux carburants :

- Le gasoil

- Le gosoil+HFU (20%)

100_2_2

_2_2

% xCOCO

COCOTx

airEGR

airadm

EGR

41

IV.1.Formulation des carburants utilisés

Afin de valider nos résultats sur un domaine le plus étendu possible, et pour pouvoir tester l'impact de

la formulation du carburant sur le déroulement de la combustion, et surtout sur la composition des gaz

brûlés recircuclés, nous avons utilisé deux formulations de carburant.

Pour nos essais, nous avons utilisé un carburant de base : un gazole peu soufré (<50ppm), répondant à

la spécification européenne carburants EN590 et ayant un indice de cétane de 53%, qui a été ensuite

additivé avec le HFU ainsi que des carburants modèles. Ce gasoil, dont la composition est globalement

composée de 75% de gasoil, de 20% de HFU et de 4% de paraffines et 1% d'aromatiques (% massique).

Les ratios gazole/additif sont exprimés en rapport volumique et sont indiqués après la composition du

carburant utilisé, par exemple un mélange 90%vol. de gasoil avec 10%vol. de 1-octène est indiqué

gazole/1-octène (90/10) dans la suite de ce manuscrit. Il est à noter qu'outre le fait que les carburants

vont avoir des spécificités chimiques, ils vont aussi avoir des spécificités en termes d'indice de cétane

(Tableau II.6) puisque les molécules ajoutées ont des propriétés à l'auto- inflammation différentes.

Tableau II.6 : Propriétés des carburants utilisés (valeurs mesurées)

Carburant

Proportion

(%vol.)

Indice de

cétane

Densité

(kg/ 3m )

Gazole + 1-octène

99/1

49,4 ± 4,0

822,9

Gazole + HFU

80/20

53,0 ± 4,5

836,0

42

Chapitre II : Prélèvements et analyses des gaz

I. Localisation des points de prélèvements

Une des étapes-clés dans le déroulement de ce mémoire étant la connaissance précise de la

composition des gaz au sein du circuit EGR, il a fallu créer un système permettant de prélever ces

gaz sans modifier le fonctionnement et éviter tout phénomène de condensation ou de chimie

réactionnelle pouvant détériorer la qualité des échantillons.

Afin de pouvoir mesurer de manière précise la composition des gaz EGR et leur évolution au sein du

circuit, quatre points de prélèvement ont été réalisés. Ces localisations seront nommées dans la suite

du rapport : "entrée circuit EGR", "amont échangeurs ", "aval échangeurs", "sortie circuit EGR", en

suivant le sens d'écoulement des gaz, i.e. de l'échappement du moteur vers l'admission de ce même

moteur (Figure II.5).

Figure II.4 : Modélisation du moteur avec signalisation de la localisation des points de

prélèvements des gaz

Même si la localisation est différente pour les quatre points de prélèvement, la méthodologie de

prélèvement est, elle, identique. Au niveau de chaque point de prélèvement, une valve manuelle a été

installée afin de pouvoir isoler chacun d'entre eux lors de l'échantillonnage. Les valves manuelles ont

43

été privilégiées du fait de leur résistance aux hautes températures et de leur simplicité d'installation et

d'utilisation. Il s'avère que l'utilisation de valves en cuivre présente moins de risques de réactions avec

les gaz brûlés que lors de l'utilisation de valves en acier.. Les valves manuelles en cuivre ont donc été

utilisées lors des études spécifiques et lors de la détermination de la composition des gaz brûlés.

Le débit de gaz dans le circuit EGR étant de 200 à 310L/min, selon le point de fonctionnement du

moteur.

I.1.Prélèvements des gaz EGR

Afin de s'affranchir au maximum de toutes modifications de la composition chimique liée à la

variation de la température et au cheminement des gaz vers les systèmes de prélèvements, les gaz

devaient être échantillonnés chauds et non dilués. Les systèmes de prélèvement ont été modifiés

en conséquence afin de pouvoir fonctionner sans système de dilution, ni de refroidissement ou

chauffage.

Pour obtenir une composition la plus précise possible, les teneurs en O 2 , 2CO , CO , NOx , HC

totaux ont été mesurées. Il est à noter que la quantité d'eau n'a pas pu être mesurée. Cependant,

elle a été calculée grâce à l'hypothèse de calcul de la combustion complète. Cela nous a permis,

via des tables de calcul [14], de calculer les températures de condensation afin de contrôler si nous

étions ou non aux limites du phénomène de condensation lors des prélèvements.

I.2.Prélèvements baie 5 gaz

Pour les polluants réglementés CO, NOx et HC totaux, ainsi que pour CO2 et O2, une baie 5 gaz

SEITRON a été utilisée. L‘analyse des gaz provenant du circuit EGR n‘a pas nécessité de

modification de cette baie car cette dernière est équipée d‘un système de porte-filtre avec 7 entrées

permettant l'analyse de gaz provenant de 7 localisations différentes. Chaque point de prélèvement

(au niveau du circuit EGR et au niveau de l'échappement) n'est relié que par une ligne chauffée

jusqu'au dit porte-filtre, chaque point de prélèvement correspondant alors à une voie d'acquisition

de la baie 5 gaz. Les débits de prélèvements ne peuvent pas être modifiés par rapport aux débits

de prélèvements prévus par le fournisseur, le débit pour cette baie est alors de 12L/min, ce qui

44

nous a contraint à conserver un débit d'EGR assez élevé afin de ne pas fausser la mesure lors du

prélèvement.

II. Analyse des gaz prélevés

II.1.Analyse des HC imbrûlés, de CO, CO2, O2 , NOx

Les analyses de CO, 2CO , O 2 , NOx et HC imbrûlés sont réalisées grâce à la baie 5 gaz. Les valeurs

de concentrations utilisées sont des valeurs moyennées sur 30s. Les valeurs acquises sont soit en

g/kWh soit en ppm (ou %). Dans la suite, seule les valeurs en ppm (ou %) seront présentées du fait de

leur plus grande facilité d'utilisation et d'exploitation celles-ci pouvant être comparées entre elles,

même à des conditions moteur différentes.

II.2.Autres types d'analyses

Le bruit du moteur est mesuré grâce à un analyseur de bruit AVL afin de s'assurer que certains additifs

ou certaines conditions moteur n'entraînent pas une augmentation du bruit.

III. Les protocoles d’essais pour déterminer le taux de

recirculation et la consommation

La procédure menée lors de nos essais avec recirculation des gaz, consiste à démarrer le moteur et

pour des mesures de sécurité, le moteur sera démarré et arrêté toujours avec du gasoil. Après le

démarrage laisser celui-ci tourner pendant 15 minutes avec du gasoil puis augmenter le régime à

1500rpm toujours en mode gasoil pendant 5 minutes avant de basculer en HFU. Cela permet lors du

basculement à l’utilisation de l’HFU, d’avoir des températures assez élevées, ce qui est bénéfique pour

le système.

Après le basculement du moteur à l’HFU laisser tourner pendant 5 minutes puis procéder au réglage

du taux EGR et enfin relever les valeurs des mesures chaque 5 minutes. A chaque pas dégressif de

250rpm du régime moteur, laisser toujours la machine tourner pour se stabiliser pendant au moins 5

45

minutes puis régler le taux EGR avant de procéder aux mesures à chaque 5 minute. Répéter l’opération

jusqu’à terminer l’essai.

III.1.Détermination du taux de recirculation:

Les valves placées à l’entrée du tuyau d’admission puis à la sortie des gaz d’échappement, nous

permettra d’avoir à chaque instant, la concentration du CO2 à l’entrée et à la sortie du moteur. Sur la

base de ces 2 paramètres, le ratio donné par la formule ci-dessus mentionné, est fait instantanément.

Pour atteindre le taux désiré, la vanne d’EGR à commande manuelle est constamment ajustée, et à

l’entrée d’air neuf, l’ouverture est aussi ajustée manuellement. Lorsque le taux est atteint, les

différentes ouvertures sont maintenues à leur position, et le chronomètre est lancé, pour cinq minutes,

temps nécessaire pour que le système se stabilise dans cette position.

Après ce temps, on doit vérifier si le taux de recirculation est toujours adéquat. Si tel est le cas, le taux

est dès lors fixé.

III.2.Détermination de la consommation:

Pour la consommation, on place les carburants dans un récipient gradué puis on varie la recirculation ainsi

que le régime pour chaque type d’essai via la vanne EGR et l’accélérateur du moteur. Un intervalle de

temps de 5mn est accordé à chaque type d’essai.

III.3.Enregistrement des valeurs :

Le taux de recirculation ayant été calculé, nous pouvons à présent noter les concentrations des

différents gaz, les températures aux différents points indiqués, les consommations…Par la suite, Il est

possible de faire varier le régime et le taux de recirculation, en suivant le même principe.

Concernant les essais sans recirculation des gaz, ils sont menés de la même manière, à la seule

différence que dans ce cas, le calcul du taux de recirculation n’est pas nécessaire, vu que le système

EGR n’intervient pas. Ici, un analyseur de gaz, placé au niveau de l’échappement du moteur, permet

d’avoir les différents gaz d’échappement, et leur concentration. La consommation est calculée de la

même manière, et une sonde de températures est placée à la sortie de la chambre de combustion

donnant la température des gaz à l’échappement.

46

IV. Répétabilité des essais

IV.1.Variation cycle à cycle du moteur

Comme présenté précédemment, les cycles du moteur varient les uns par rapport aux autres même en

condition stabilisée. Les différentes valeurs acquises étant moyennées sur 100 cycles ou sur 30s, cette

légère variation peut être négligée.

IV.2. Répétabilité des essais

Comme précédemment montré par Pinchon [7], les essais sur banc moteur sont répétables mais avec

une certaine mesure de variabilité. En effet, afin de réaliser des essais optimaux, il faudrait une pression

atmosphérique et une température ambiante constante. Cependant, nos essais moteurs n’ont pas été

réalisés avec un banc et ne pouvant pas réguler la température et la pression.

De plus, selon si il s'agit des premiers essais réalisés dans la journée ou les derniers, le moteur n'est

pas tout à fait dans la même configuration : i.e. plus froide en début de journée, encrassement plus

élevé des échangeurs et des filtres en fin de journée, etc.

C'est pourquoi, pour palier au maximum à ce problème, lors de l'étude des additifs gazeux, la référence

avec le gasoil sans additif est systématiquement refaite avant l'injection du gaz ; lors de l'étude d'un

carburant différent de celui du gasoil de référence, tous les points de fonctionnement sont refaits avec

du gasoil avant le changement du carburant, et les points de fonctionnement sont réalisés dans le même

ordre que pour le gasoil.

De plus, il est important de prendre en considération le fait que les essais ont eu lieu sur deux mois, et

que les moyens d'essais ont été partagés avec plusieurs autres études. Malgré des changements de

pièces à "l'identique", entre autres la pompe à gasoil, l’injecteur, et le turbo, ces modifications ont

certainement eu une influence sur nos résultats. C'est pourquoi les résultats d'une même série

d'expériences sont toujours comparés ensemble avec les essais de référence les plus proches.

47

IV.3.Répétabilité des analyseurs

Comme les analyseurs étaient utilisés avec un protocole différant légèrement de celui d'origine, des

tests de répétabilité sur l'analyseur 5 gaz ainsi que sur les chromatographes ont été réalisés.

Tableau II.7 : Tests de répétabilité pour la mesure des HC totaux, NOx, CO2, O2, et CO

Mesure 1

Mesure 2

Mesure 3

Mesure 4

Mesure 5

HCtotaux(ppmc)

2720

2661

2618

220

2691

NOx (ppmv)

7

7

7

7

7

CO2 (%)

10,30

10,26

10,20

10,19

10,27

O2 (%)

6,51

6,56

6,68

6,70

6,58

CO (%)

0,271

0,273

0,266

0,261

0,263

V. Problèmes rencontrés

Des problèmes de mise en œuvre sont rencontrés pendant la longue phase de mise au point, nous avons

eu des problèmes lors de démarrage du moteur puisque il a fallu 2 semaines pour y parvenir. D’autre

part des problèmes sont survenus lors de l’utilisation des certains matériels. En effet, du fait de la

constante utilisation de ces différents systèmes d'analyse pour différents types d'études, ceux-ci se sont

trouvés plusieurs fois en maintenance ou en réparation pendant nos études. Ainsi, pour certaines études

présentées, il manque l’optimisation de l'analyse de certaines espèces du fait de l'indisponibilité du

matériel.

48


En définitive ce chapitre nous a permis de recenser tout le matériel nécessaire pour réaliser l’ensemble

des essais. Ainsi nous avons inventorié des appareils de mesure de température, un analyseur de fumée,

un chronomètre, les caractéristiques de l’huile de friture et du gasoil, un ordinateur et un alternateur

de charge résistive. Nous avons aussi élaboré le protocole nécessaire pour mettre en œuvre toutes ces

opérations. Les différents essais avec et sans EGR utilisant le gasoil et l’HFU ont permis de mettre

en évidence l’effet EGR sur le comportement du moteur du point de vue émissions et

performance de la machine.

49

PARTIE III : RESULTATS ET ETUDES

ENVIRONNEMENTALES

Dans cette partie se trouve, d’une part les résultats de notre travail, ils seront suivis des analyse et de

discussions, .d’autre part, comme toutes les études qui concernent le développement de la technologie,

cette étude va aussi apporter ces effets sur l’environnement.

50

Chapitre I : Résultats, discussions et analyses

I. Les principales émissions de gaz à l’échappement

I.1. Oxyde d’azote NOx

Il est obtenu par l’oxydation azotée de l'air et du combustible c'est-à-dire une réaction sous haute

température de l'azote atmosphérique avec l'oxygène présent pendant la combustion.

Ces gaz, très présents dans l’échappement des moteurs diesels, constituent un grand danger

pour la santé et l’environnement. Ils contribuent à la formation de l'ozone troposphérique et aux

dépôts acides du point de vue environnement et à l’irritation des bronches, crises

d'asthme, accroissement de la sensibilité aux infections microbiennes. A travers les différents

essais avec et sans EGR nous allons mettre en évidence l’effet EGR sur ce gaz.

Pour réduire ces émissions de xNO on a recours à l’addition de l’huile de friture usagée au carburant

et à la recirculation des gaz d’échappement.

Les courbes (Figure III.1) obtenues relatent que les émissions d’oxyde d’azote sont plus

élevées avec le gasoil sans EGR comparées à l’huile friture usagée sans EGR. Par contre

l’huile de friture usagée sans EGR émet encore moins que le gasoil. Nous constatons que la réduction

est très importante avec le gasoil à 20% EGR et l’huile de friture usagée à 20% EGR. Cette réduction

est estimée :

Pour l’HFU à 25% pour un régime faible (750rpm) et 66, 5% pour un régime maximal

(2000rpm);

Pour le gasoil à 34, 5% pour un régime faible et 47, 5% pour un régime maximal.

Ceci permet d’attester que le système à EGR permet une diminution conséquente des oxydes

d’azote. Nous aboutissons au même résultat obtenu par Venkateswarlu et Murth [28] c'est-à-

dire la réduction du xNO Cette réduction de l’oxyde d’azote est causée par la diminution de la

température dans la chambre de combustion et la combinaison de l’O2 avec les gaz

d’échappement à l’admission comme stipulé ci-dessous :

51

N + NO → N2 + O

N + O2 → NO + O

N + OH → NO + H

Par ailleurs nous remarquons que les émissions de xNO augmentent lorsque le régime évolue

de façon croissante. Nous avons aussi constaté que le xNO diminue considérablement lorsque

le taux EGR augmente confirmé aussi par les travaux de Sorenson et Al [10]. A 10% de recirculation

aucun effet sur le moteur lorsqu’il est à vide par contre au-delà son effet se fait sentir surtout lorsque

le régime augmente. D’où la relation entre taux de recirculation et régime moteur ; ceci est attesté

par M. Zheng et Al [11] à travers leurs travaux de recherche. . Les données sont centralisées dans le

tableau (III.1) et les courbes obtenues sont ci-dessous (Figure III.1).

Tableau III.1 : Variation de NOx

Oxyde d'azote Nox

régime Gasoil sans

EGR

Gasoil avec

EGR

HFU sans

EGR

HFU avec

EGR(20%)

2000 484,33 260,14 334,00 112,00

1750 405,67 225,26 333,67 270,00

1500 305,67 75,10 274,33 128,00

1250 199,00 74,98 190,00 123,00

1000 119,00 75,14 111,67 84,00

750 70,00 115,23 54,67 54,00

52

Figure III.1 : Oxydes d’azote avec gasoil et HFU, sans et avec EGR

I.2.Oxygène

C’est un gaz nécessaire pour la combustion du combustible. Sa présence à l’échappement donne

un aperçu sur la qualité de la combustion. Il n’est pas nocif du point de vue environnemental

et santé humaine. D’après la (figure III.2) le taux d’oxygène rejeté dans les gaz d’échappement est

plus élevé pour le gasoil et l’huile de friture sans EGR par contre il est plus réduit avec le système

à EGR utilisant l’huile de friture et le gasoil comme carburant. La teneur en oxygène diminue lorsque

le régime augmente car la demande en O2 est importante pendant la combustion avec les

régimes élevés d’où sa teneur faible dans les gaz d’échappement. A moins de 1100rpm,

le taux d’oxygène rejeté avec l’huile de friture à EGR dépasse celui du gasoil à EGR et cette

tendance s’inverse lorsque le régime est supérieur à 850rpm. Au-delà de 1750rpm, le taux d’oxygène

émis à l’échappement avec l’huile de friture est supérieur au gasoil. En d’autre terme nous rejetons

moins d’oxygène lorsque nous employons la technique de recirculation.

Nous pouvons expliquer cette diminution du taux d’O2 par sa contribution à la combustion et

aux réactions avec les gaz d’échappement.

Les différents tests menés sur le moteur ont permis de tracer les courbes suivantes (voir Figure

III.2) dont les données sont dans le (tableau III.2).

53

Tableau III.2 : Variation de l’O2

Oxygène : O2

régime

Gasoil sans

EGR

Gasoil avec

EGR

HFU sans

EGR

HFU avec

EGR (20%)

2000

16,53

14,23

17,53

10,26

1750

17,57

12,25

17,84

12,04

1500

18,38

11,23

18,34

11,65

1250

19,14

14,35

18,86

13,26

1000

19,76

15,10

19,34

15,13

750

20,12

17,20

19,85

17,27

Figure III.2 : oxygène avec gasoil et HFU sans et avec EGR

54

I.3.Gaz carbonique

C’est un gaz à effet de serre issu de la combustion du carburant. Il n’a pas d’effet direct sur la santé.

Il est rejeté dans l’atmosphère après la combustion du combustible dans le moteur. Sa teneur ne doit

pas être importante à cause de son impact environnemental. Nous avons pu recueillir des données

à travers nos tests et voir son comportement avec les différents combustibles (gasoil ou HFU) avec

ou sans EGR (voir Figure III.3) En analysant cette figure, nous nous rendons compte que le gaz

carbonique contenu dans les gaz d’échappement a une teneur très importante lorsqu’il s’agit du

combustible HFU avec EGR et le gasoil avec EGR. Il devient faible lorsque la carburation se fait

avec du gasoil sans EGR ou de l’huile de friture sans EGR. Pour des régimes inférieures à 1300rpm,

l’huile de friture sans EGR dégage plus de CO2 que le gasoil sans EGR. Cette tendance s’inversera

lorsque le régime dépassera 1300rpm. En résumé nous remarquons que l’effet EGR entraîne une

augmentation du CO2 émis dans les gaz d’échappement. L’augmentation du CO2 avec le système

EGR s’explique par l’apport supplémentaire de gaz carbonique contenu dans les gaz d’échappement

réinjectés dans la chambre de combustion. Aussi il est important de noter que le gaz carbonique

augmente lorsque le régime moteur croit.

Tableau III.3 : Variation de CO2

Gaz carbonique CO2

régime Gasoil sans

EGR

Gasoil avec

EGR

HFU sans

EGR

HFU avec

EGR (20%)

2000 3,27 5,32 2,55 7,87

1750 2,51 6,50 2,32 6,57

1500 1,92 6,70 1,95 6,86

1250 1,36 5,56 1,95 5,68

1000 0,91 4,86 1,22 4,42

750 0,00 2,92 0,84 2,65

55

Figure III.3 : gaz carbonique avec gasoil et HFU sans et avec EGR

I.4. Monoxyde de carbone

Il provient de la combustion incomplète du carburant avec une contribution à la formation de l’ozone

troposphérique (résulte de la transformation photochimique de certains polluants, dont le CO, les NOX

et les HC). Ce gaz étant très dangereux il faut alors le réduire, nous verrons si l’EGR apportera une

solution. Les CO émit avec le combustible gasoil ou HFU sans et avec EGR sont représentés sur la

Figure II.10.

D’après cette figure, nous avons les résultats suivants :

Le CO émis est très faible avec le gasoil sans EGR, il augmente avec l’huile de friture

sans EGR. On remarque qu’il devient important avec le gasoil à EGR et encore plus

important lorsqu’il s’agit de l’huile de friture avec EGR.

Les émissions de CO décroissent de façon parabolique avec le régime moteur. Ces

courbes nous permettent de déduire que l’effet EGR conduit à une élévation du

monoxyde de carbone. Ceci est dû à la mauvaise combustion des huiles de fritures

56

causée par la viscosité élevée, la volatilité faible des huiles et la participation du CO

issu de la recirculation et réinjecté dans la chambre de combustion.

Tableau III.4 : Variation de CO

Monoxyde de carbone : CO

régime Gasoil sans

EGR

Gasoil avec

EGR

HFU sans

EGR

HFU avec

EGR (20%)

2000 444,00 1632,45 754,00 2090,00

1750 155,33 1504,32 455,67 1580,00

1500 130,67 1120,12 385,00 1785,00

1250 144,00 752,42 352,00 1584,00

1000 163,67 1000,03 453,00 1615,00

750 175,33 746,23 590,67 1766,00

Figure III.4 : Monoxyde de carbone avec gasoil et HFU sans et avec EGR

57

II. Performances du moteur

II.1. Température d’échappement

Les gaz issus de la chambre de combustion arrivent au pot d’échappement avec une température à

celle de la chambre. Nous verrons si cette température sera influencée par l’effet EGR. La Figure III.5

montre que la température d’échappement croit lorsque le régime moteur augmente.

Les courbes issues de la température d’échappement avec les différents cas de combustibles

évoluent du bas en haut respectivement avec le gasoil sans EGR, ensuite l’huile de friture sans

EGR, puis le gasoil avec EGR et enfin l’huile de friture avec EGR. Les températures d’échappement

sont plus faibles avec le gasoil sans EGR puis légèrement faible avec l’HFU sans EGR mais

élevées avec le gasoil à EGR et l’HFU à EGR. Cette température est plus importante dans le

cas de l’HFU avec EGR. Elle atteint la valeur maximale de 513°C à 2000rpm et nous pouvons

dire que l’effet EGR entraine une élévation de la température d’échappement. Elle aura pour

conséquence une diminution du rendement liée à l’élévation de température par effet EGR. Cette

augmentation de température s’explique par la chaleur supplémentaire dégagée par l’augmentation

du carburant et de la température ambiante.

Les différents essais ont donné les courbes suivantes (figure III.5) dont les valeurs sont dans le

tableau suivant (tableau III.5).

Tableau III.5 : Variation de la température d’échappement

T°éhapp en °C

régime Temps en

h

Gasoil

sans EGR

Gasoil

avec EGR

HFU sans

EGR

HFU avec

EGR(20%)

2000 0.08 488.00 511.23 492,60 513,00

1750 0.08 387.11 458.21 402,60 457,90

1500 0.08 314.50 370.56 334,83 371,35

1250 0.08 244.73 316.25 264,13 318,90

1000 0.08 186.17 243.56 197,03 245,30

750 0.08 146.07 197.23 150,70 207,90

58

Figure III.5 : température d’échappement avec gasoil et HFU sans et avec EGR

II.2. Température de fumée

Les gaz d’échappement sont rejetés dans l’atmosphère sous une température supérieure à la

température ambiante. Les températures des fumées évoluent de façon croissante lorsque le régime

augmente.

Ces températures sont plus importantes avec le gasoil à EGR et l’HFU à EGR qu’avec le gasoil

sans EGR et l’HFU sans EGR (Figure III.6). La température maximale est obtenue avec

l’HFU associé à un système EGR et cette dernière est de 405,48°C lorsque la

machine est à son régime maximal. Pour des régimes inférieurs à 1300rpm les températures des

fumées sont plus élevées avec l’HFU à EGR qu’avec le gasoil à EGR mais cette tendance s’inverse

lorsque le régime est supérieur à 1300rpm. Nous déduisons alors que l’effet EGR crée une

élévation de température de fumées.

Les données issues de nos différentes mesures (tableau III.6) ont permis de tracer les courbes voir

(Figure III.6)

59

Tableau III.6 : Variation de la température de la fumée

T°fummée en °C

régime Temps en

h

Gasoil

sans EGR

Gasoil

avec EGR

HFU sans

EGR

HFU avec

EGR(20%)

2000 0.08 313,40 405,48 273,97 363,50

1750 0.08 250,37 361,45 234,80 335,90

1500 0.08 200,93 301,45 192,77 289,50

1250 0.08 156,40 248,34 154,23 247,90

1000 0.08 119,30 183,45 114,77 192,80

750 0.08 95,33 140,25 87,47 145,20

Figure III.6 : température de fumée avec gasoil et HFU sans et avec EGR

60

II.3. Consommation spécifique

Pour tourner, le moteur a besoin de combustible alors il est nécessaire de suivre sa

consommation. Nous avons pu suivre les consommations issues de nos différents essais avec

le gasoil ou l’HFU avec ou sans EGR. Ces différents essais nous ont permis de calculer la

consommation spécifique de chaque carburant en fonction du régime moteur (tableau III.7) et de

dresser leur représentation graphique (Figure III.7).

La formule utilisée pour le calcul de la consommation spécifique est :

régime

Dconsspéci

*

Avec :

Consspéci : consommation spécifique en gramme par kilowattheure

D : débit volumique en litre par heure

Ρ : masse volumique du combustible en gramme par litre

Régime : rpm

A travers les courbes (figure III.7) nous remarquons que la consommation spécifique décroit

lorsque le régime moteur augmente qu’il s’agisse du gasoil ou de l’huile de friture avec ou sans EGR.

Les consommations sont basses avec le gasoil puis une légère augmentation avec le gazole à EGR.

Ensuite vient l’huile de friture avec une augmentation significative et enfin l’HFU à EGR dont la

consommation est relativement supérieure à celle de l’huile de

de friture sans EGR. De 825 à 1000rpm et comme carburant huile de friture

nous avons pratiquement la même consommation avec et sans EGR. Pour des régimes

supérieurs à 1600rpm, la consommation spécifique avec l’huile de friture à EGR est relativement

plus élevée que celle de l’huile de friture sans recirculation. Ceci nous permet d’affirmer que la

consommation augmente lorsqu’on utilise la recirculation des gaz d’échappement.

L’augmentation de la consommation spécifique est la conséquence de l’effet EGR créé par

l’élévation de la densité liée à la température et à la masse volumique.

61

Tableau III.7 : Variation de la consommation

Consommation g/kWh

régime Temps en

h

Gasoil

sans EGR

Gasoil

avec EGR

HFU sans

EGR

HFU avec

EGR(20%)

2000 0.08 344,05 346,33 365,80 727,79

1750 0.08 342,00 345,16 386,76 727,79

1500 0.08 370,50 371,45 424,23 434,39

1250 0.08 423,94 422,48 424,23 491,54

1000 0.08 612,75 610,56 727,79 731,60

750 0.08 615,85 618,56 728,98 734,15

Figure III.7 : Consommation spécifique avec gasoil et HFU sans et avec EGR

62

II.4. Rendement global

Le rendement global du moteur, permet de déterminer les performances du groupe

électrogène, c'est-à-dire sa capacité à transformer l’énergie fournie par le carburant en travail

électrique. Nous avons obtenu les courbes suivantes avec le combustible gasoil ou HFU sans

ou avec EGR (voir Figure III.8 et pour les valeurs dans le tableau III.8). La formule utilisée pour le

calcul est le suivant :

ηgl : rendement global en %

consspéci : consommation spécifique en gramme par kilowattheure

PCI : pouvoir calorifique inférieur du combustible en kilojoule par kilogramme

D’après la (Figure III.8), le rendement thermique croît lorsque la charge augmente. Il est plus

important avec l’huile de friture avec et sans EGR par contre il est un peu faible pour le gasoil avec

et sans EGR. Il est identique lorsque la machine est entre 750 à 1250rpm avec de l’HFU à EGR ou

sans EGR. Le meilleur rendement est obtenu avec l’huile de friture sans EGR. Nous remarquons

que l’effet EGR contribue à réduire le rendement global donc l’EGR entraîne des pertes d’énergie.

100**

*6.3 106

spéci

glconsPCI

63

Tableau III.8 : Variation des valeurs du rendement

Rendement global ηgl

régime Temps en

h

Gasoil

sans EGR

Gasoil

avec EGR

HFU sans

EGR

HFU avec EGR

(20%)

2000 0.08 23,46 22,45 27,59 25,23

1750 0.08 23,52 21,89 26,10 25,97

1500 0.08 21,66 21,45 23,79 23,24

1250 0.08 18,93 18,42 20,53 20,53

1000 0.08 13,09 13,45 13,87 13,80

750 0.08 12,45 12,56 13,06 13,45

Figure III.8 : Rendement global avec gasoil et HFU sans et avec EGR

64

II.5. La formation de dépôts

Nous avons pu mettre en évidence les dépôts solides formés dans la chambre lors de

l’entretien du moteur. Ces dépôts sont repartis sur le nez de l’injecteur, la paroi de la chambre de

combustion, la culasse et sur la tête du piston. Nous avons aussi constaté un encrassement au niveau

du pot d’échappement et du système EGR. Ces dépôts sont liés aux propriétés du combustible, de

l’air et à la qualité de la combustion. Pour des impératifs de temps nous n’avons pas pu réaliser

l’entretien technique immédiatement après la fin de nos travaux.

III. Récapitulatif de l’effet EGR avec l’HFU et le gasoil

A partir des différents essais réalisés nous avons élaboré un récapitulatif de la variation relative

de l’effet EGR avec l’HFU et le gasoil (voir tableau II.15) afin de pouvoir faire une comparaison des

impacts de l’EGR sur le moteur avec ces deux types de combustibles. Après analyse des différentes

courbes de variation relative, nous nous sommes rendu compte que l’effet EGR est réel sur ces

deux combustibles mais l’étude n’est pas suffisante pour dire que l’EGR est plus efficace avec

l’HFU ou le gasoil.

Avec Δr variation relative de X et ΔX variation de X

100*X

Xr

66

Chapitre II : Etudes des impacts environnementaux

I. Introduction

I.1. Définition

Par définition, l’environnement est l’ensemble des caractéristiques physiques, chimiques

et biologiques des écosystèmes plus ou moins modifiées par l’action de l’homme.

I.2. Caractéristiques

En d’autres termes, l’environnement représente l’ensemble des milieux naturels et artificiels

entourant l’homme et dont il est en relation directe comme l’eau, l’air, les conditions sociales,

économiques et les infrastructures.

L’étude d’impact environnemental étudie les conséquences de ces modifications sur l’homme, les

animaux, et sur les plantes aussi bien à l’échelle de l’individu ou de l’écosystème que de toute

la biosphère.

II. Objectifs

II.1. Objectifs générales

Selon la loi n°90-033 du 21 décembre 1990 modifiée par la loi 97-012 du 06 juin 1997

portant charte de l’environnement Malagasy, l’action environnementale ne doit pas se réduire

à la seule protection et à la sauvegarde des ressources naturelles, des espèces rares ou des

sites. Elle est inséparable des actions pour un développement économique et sociale durable.

L’objectif est donc de rétablir un équilibre durable et harmonieux entre les besoins de

développement de l’homme et les soucis écologiques. Elle s’efforcera de situer le

développement par rapport à la conservation, d’en limiter et d’en définir les interactions.

67

II.2. Objectif du travail

Dans notre cas, l’intérêt général de notre étude est d’identifier les différentes sources d’impacts

environnementaux possibles au moment de l’exploitation du biodiesel d’huile de friture usagée et la

recirculation des gaz d’échappement afin de pouvoir apporter une mesure d’atténuation aux impacts

négatifs.

68

Chapitre II : Evaluation des impacts environnementaux

I. Impacts négatifs

La quasi-totalité des impacts négatifs se trouvent au niveau de la transformation lui-même.

I.1.Le déversement accidentel de l’huile

Au cours de l’opération, du collecte de l’huile jusqu’au stockage du produit final, plusieurs impacts

négatifs peuvent se présenter.

En effet, des rejets accidentels d’huile au cours de transformation est inévitable pourtant le

déversement d’huile dans le milieu naturel nuit à l’oxygénation du sol et des eaux et présente un

caractère toxique pour la faune et la flore.

I.2. Les eaux usées

Les eaux usées proviennent du lavage des cuves, et le lavage du biodiesel brut après la

transestérification. Ces eaux contiennent de l’huile, du méthanol, et quelques matières

organiques. Après les opérations de lavage, ces eaux usées doivent être traitées avant d’être

déversées dans la nature pour éviter la pollution.

69

I.3. Le stockage et l’utilisation des produits chimiques

Les produits chimiques sont des produits les plus dangereux dans le milieu industriel. Leur utilisation

doit être conforme aux règles et aux bonnes pratiques y afférentes car ils peuvent provoquer de

grave accident en cas d’éventuelle fausse manipulation.

Par exemple, dans le cas du méthanol, ce dernier est un composé chimique très toxique et très nocif.

Son utilisation sans préoccupation préalable peut entrainer un impact dangereux au niveau de la vue.

Le méthanol devrait donc être utiliser avec attention comme par exemple l’utilisation des lunettes de

protections, etc.

Pareille pour la potasse qui est une base forte et corrosive réagit violemment au contact des acides

et produit une quantité importante de chaleur en se dissolvant. Le contact de ce produit avec le corps

provoque ainsi de graves brulures.

Les produits chimiques doivent donc être stockés dans des endroits spécifiques et utilisés avec

précaution pour éviter un accident et un déversement dans la nature.

I.4. Production des particules

Concernant l’EGR, elle augmente la production de particules en raison de la raréfaction de l'oxygène.

Il faut trouver un compromis acceptable entre la diminution des oxydes d'azote et l'augmentation de

particules via le choix optimum du taux d'EGR pour chaque point de régime et charge. Les gaz

recirculés doivent être refroidis pour abaisser la température des gaz réinjectés et diminuer

conjointement la production de particules et d'oxydes d'azote pour le même taux d'EGR.

https://fr.wikipedia.org/wiki/Particules_en_suspension

https://fr.wikipedia.org/wiki/Oxyde_d%27azote

70

I.5. Augmentation de la consommation en carburant

Un des impacts négatifs de ce système est la diminution de la vitesse de combustion, qui entraîne une

diminution du rendement du moteur (éloignement du cycle théorique) et induit donc une augmentation

de la consommation de carburant. Cependant, la diminution du débit d'air compense partiellement la

baisse du rendement.

I.6. Augmentation des suies

L'augmentation de la production de suies lors de la combustion induit une salissure plus prononcée de

l'huile moteur et d'une partie de l'admission, du circuit d'échappement du moteur ainsi que le besoin

éventuel d'un filtre à particules selon le niveau d'exigence des normes.

II. Impacts positifs

Les impacts positifs du biodiesel et de l’EGR sont très nombreux mais quelques impacts majeurs

sont cités ci-dessous :

II.1.Réduction des oxydes d’azotes

L’EGR est un dispositif de réduction des oxydes d'azote générés par le moteur, pour satisfaire, à

moindre coût, aux normes de pollution.

Ce système permet de:

ralentir la vitesse de combustion via la diminution de la proportion d'oxygène dans les gaz;

augmenter la capacité thermique des gaz et donc diminuer leur température lors de la

combustion.

https://fr.wikipedia.org/wiki/Suie

https://fr.wikipedia.org/wiki/Huile_moteur

https://fr.wikipedia.org/wiki/Filtre_%C3%A0_particules

71

Ceci a pour effet de diminuer la quantité d'oxydes d'azote (NOx) dans les gaz échappement à l'origine

notamment de la pollution atmosphérique à l'ozone et des précurseurs des particules fines.

La production d'oxydes d'azote dépendant notamment de la température et de la présence d'oxygène

pendant la combustion, l'introduction de gaz brûlés agit sur les deux paramètres (température et

proportion d'oxygène). L'influence de la température sur la production d'oxydes d'azote est modélisée

par le mécanisme de Zeldovich en 1939.

II.2 Atténuation de la création de gaz carbonique

La différence entre les biocarburants et les carburants d’origines fossile, est au niveau de la

combustion. En effet, les carburants fossiles dégagent du dioxyde de carbone CO2, les CO2

enfuit sous terre sont dégagés dans l’atmosphère tandis qu’ à celle d’un biocarburant ce sont les CO2

de l’atmosphère même qui sont aspirés puis dégagés, donc il n’y a pas de création de nouveau CO2.

La combinaison du biodiesel avec le système EGR représente donc une solution immédiatement

exploitable pour lutter contre la pollution provoquée par les transports. Il permet de réduire les

émissions de particules de monoxyde de carbone (CO) et d’hydrocarbure gazeux.

II.3. Diminution des GES

L’effet de serre réchauffe la température de l’air et des océans et crée des bouleversements

climatiques importants. Ce phénomène est principalement dû aux émissions de CO2. Mais avec

notre système, l’enrichissement de l’atmosphère en CO2 diminue car il s’agit d’une autre source

d’énergie renouvelable et une technologie qui ne fait qu’atténuer les pollutions ; autrement dit, le

système EGR combiné au biocarburant participe à la réduction de l’effet de serre.

Selon l’ADEME (Agence de l’Environnement et de la Maitrise de l’Energie), un véhicule roulant

avec du biocarburant économise près de 25% de ses émissions en gaz à effet de serre par rapport à

celui roulant au gasoil pur.

https://fr.wikipedia.org/wiki/Oxyde_d%27azote

https://fr.wikipedia.org/wiki/Ozone_troposph%C3%A9rique

https://fr.wikipedia.org/w/index.php?title=M%C3%A9canisme_de_Zeldovich&action=edit&redlink=1

72

II.4. Amélioration de la santé humaine

Une étude démontre que 16.000 décès par année au Canada sont attribuables à la pollution de l’air ;

ce qui représente 8% de tous les décès non accidentels au pays. Par ailleurs, 80% des risques de cancer

liés aux polluants atmosphériques sont directement associés à l’inhalation des gaz d’échappement.

Cependant, comme il a été dit ci-dessus, notre système atténue les pollutions d’échappement, et joue

un rôle important dans la purification de l’air.

Ainsi, la combinaison de l’EGR à l’HFU a un impact positif dans le domaine de la santé publique.

73


En définitive l’EGR entraîne une augmentation de la consommation spécifique, des

températures d’échappement et de fumée, et des certains gaz à l’échappement d’une part et d’autre

part on remarque une réduction importante de l’oxydes d’azote et des hydrocarbures imbrulés. En

constatant l’approche environnementale que nous avons effectuée précédemment, nous

reconnaissons que la combinaison du système EGR avec du l’huile de friture usagée en tant que

carburant ne permet pas de éliminer totalement les gaz nocifs à la santé de l’homme. Néanmoins, ce

système offre plusieurs avantages pour l’environnement. D’une part, le biodiesel est renouvelable car

il est produit à partir de ressources renouvelables ; biodégradable, il se décompose plus rapidement

que le diesel pétrolier. Comparativement au diesel, le biodiesel offre la possibilité de réduire les

émissions de gaz à effet de serre (GES) de plus de 80 % pendant son cycle de vie. Ensuite le système

EGR permet la réduction de plusieurs émissions d’échappement, il est moins toxique : un moteur muni

d’un système EGR serait moins toxique qu’un moteur conventionnel. Quoiqu’il en soit, le système

présente un énorme avantage au point de vue environnemental.

74

CONCLUSION

Nous nous sommes posés comme problématique l’identification des moyens pour améliorer la maîtrise

de la combustion et nous avons pu dire que cette étude nous a permis de mesurer certains impacts des

gaz recirculés et de l’utilisation d’un biocarburant.

A travers ce mémoire nous avons pu vérifier certains résultats obtenus par des chercheurs, même si

nous n’avons pas utilisé les mêmes combustibles, comme la réduction de 65,47% de l’oxyde d’azote

qui constitue 80% des émissions de gaz d’échappement. Nous avons pu évaluer certains impacts de

l’EGR sur le fonctionnement du moteur. En effet, sur la combustion, l’EGR apporte une légère

augmentation des températures d’échappement et de fumées qui crée la formation de particules solides.

En outre l’analyse des émissions de gaz révèle une élévation supplémentaire du gaz carbonique et du

monoxyde de carbone. Par contre certains gaz émis à l’échappement comme les oxydes d’azote et

l’oxygène sont réduits. Et en ce qui concerne la performance du moteur, nos analyses ont montré un

accroissement supplémentaire de la consommation spécifique et une baisse du rendement global.

Enfin, concernant le point de vue environnemental, malgré les différentes faiblesses de notre système

on remarque que l’effet positif emporte sur les effets négatifs, alors on peut dire que cette étude

constitue une solution et une réponse à la question pertinente de l’environnement.

D’une façon générale, l’EGR a des effets plus ou moins positifs sur la combustion comme le révèlent

certains gaz émis par contre on constate que malgré les différentes améliorations la performance du

moteur est quand même affectée. Par conséquent, nous pouvons conclure que notre système EGR est

adapté au moteur diesel avec usage de l’huile de friture usagée comme carburant. En perspective nous

recommandons, pour atteindre des résultats encore plus prometteur que cette étude soit approfondie

avec l’acquisition des systèmes EGR standard à chaud et à froid commandé par des calculateurs

électroniques et l’utilisation d’analyseur de gaz plus performant.

75

REFERENCES BIBLIOGRAPHIQUES

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http://www.ccfa.fr

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Présentation de J.J.Mosconi à la Journée sur le changement climatique (13 juin 2006),

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76

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Formation of Nitric Oxide in Premixed Hydrocarbon Flames, Symposium (International) on

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Conversion of HCN to NO and N2 in H2-O2-HCN-Ar Flames at Low Pressure, Symposium

(International) on Combustion, vol. 20, pp. 673-684.

78

TABLES DES MATIERES

INTRODUCTION ...................................................................................................... 1

Partie I : ETUDES BIBLIOGRAPHIQUES ............................................................... 2

Chapitre I : Contexte de l'étude ...................................................................................................................... 3

I. Biocarburant : les enjeux ........................................................................................................................... 3

I.1. Épuisement des ressources fossiles .................................................................................................. 3

I.2. Dérèglement climatique .................................................................................................................... 3

I.3. Une réglementation de plus en plus stricte ...................................................................................... 4

I. 4. Revues bibliographiques ................................................................................................................... 6

I.5. Les moteurs diesel ............................................................................................................................. 7

I.5.1. Les moteurs à injection directe .................................................................................................. 7

I. 5.2.Les moteurs à injection indirecte ............................................................................................... 7

II : L’utilisation de l’huile végétale comme carburant .................................................................................. 8

II.1. Les problèmes rencontrés dans les moteurs diesels utilisant les huiles végétales comme

carburant ................................................................................................................................................. 8

II.1.1.Les propriétés physiques des huiles végétales ........................................................................... 8

II.1.2.Les problèmes liés à la nature chimique des huiles végétales : ................................................. 8

II.1.3.L’utilisation des biocarburants dans les moteurs diesels ........................................................... 9

II.2. Formations de gaz et de solide lors d’une combustion dans un moteur diesel ............................. 10

II.2.1.Formation du CO ...................................................................................................................... 10

II.2.2.Formation de NOx ..................................................................................................................... 10

II.2.3.Formation des hydrocarbures imbrûlés ................................................................................... 10

II.2.4.Formation des particules .......................................................................................................... 11

Chapitre II : Recirculation des gaz d’échappement ....................................................................................... 12

I. Principe de l’EGR (Exhaust Gas Recirculation) ......................................................................................... 13

II. Les différents types d’EGR et leurs effets ............................................................................................... 13

III. Synthèse des résultats de recherche obtenus avec les systèmes EGR ................................................. 14

Chapitre III : Influences et impacts des gaz recirculés et de l’HFU sur les paramètres de fonctionnement du

moteur ........................................................................................................................................................... 16

I. L’utilisation des gaz brulés en combustion .............................................................................................. 16

79

I.1.Un effet de dilution .......................................................................................................................... 16

I.2.Un effet de la variation de capacité calorifique ............................................................................... 17

I.3.Un effet de "préchauffe" .................................................................................................................. 17

II. La chimie de l'EGR................................................................................................................................... 17

II.1.La composition des gaz brûlés recyclés ........................................................................................... 18

II.2. Impact des espèces inertes : CO2, N2 et H2 O ................................................................................. 18

II.2.1.impact de CO ............................................................................................................................ 19

II.2.1.1. Mécanisme d'oxydation de CO ......................................................................................... 19

II.2.1.2.Impact de CO sur la combustion ....................................................................................... 20

II.2.2.Impact des NOx ......................................................................................................................... 21

II.2.2.1.Mécanisme réactionnel de NO .......................................................................................... 21

II.2.2.2.Impact de la présence de NO à basse température .......................................................... 22

II.2.2.3. Impact de la présence de NO à haute température ......................................................... 22

II.2.2.4.Impact de la présence de NO sur une combustion en moteur ......................................... 23

II.2.2.5.Impact de la présence de NO2 sur une combustion en moteur ........................................ 24

II.2.3.Impact du formaldéhyde CH2O ................................................................................................ 24

II.2.4.Impact des hydrocarbures imbrûlés ......................................................................................... 25

II.2.4.1.Impact de l'ajout de méthane ........................................................................................... 25

II.2.4.2.Impact de l'ajout d'hydrocarbures plus complexes........................................................... 26

II.2.5.Impact de l'incorporation d'EMHV ........................................................................................... 29

II.2.5.1.Influence de l'incorporation d'EMHV sur la combustion .................................................. 29

II.2.5.2.Récapitulatif de l'influence de l'incorporation d'EMHV .................................................... 30

Conclusion partielle .................................................................................................. 31

Partie II : REALISATIONS PRATIQUES ............................................................... 32

Chapitre 1 : Dispositifs expérimentaux ......................................................................................................... 33

I. Moteur monocylindre.............................................................................................................................. 33

I.1.Caractéristiques du moteur utilisé ................................................................................................... 33

I.1.1.Configuration du moteur ........................................................................................................... 33

II. Les Instruments ...................................................................................................................................... 36

III. L’EGR 37

III.1.Configuration du circuit EGR .......................................................................................................... 38

IV. Les carburants ....................................................................................................................................... 39

IV.1.Formulation des carburants utilisés ............................................................................................... 41

Chapitre II : Prélèvements et analyses des gaz ............................................................................................. 42

80

I. Localisation des points de prélèvements ................................................................................................ 42

I.1.Prélèvements des gaz EGR ............................................................................................................... 43

I.2.Prélèvements baie 5 gaz ................................................................................................................... 43

II. Analyse des gaz prélevés ........................................................................................................................ 44

II.1.Analyse des HC imbrûlés, de CO, CO2, O2 , NOx ............................................................................... 44

II.2.Autres types d'analyses ................................................................................................................... 44

III. Les Protocoles d’essais pour déterminer le taux de recirculation et la consommation ....................... 44

III.1.Détermination du taux de recirculation: ................................................................................... 45

III.2.Détermination de la consommation: ............................................................................................. 45

III.3.Enregistrement des valeurs : .......................................................................................................... 45

IV. Répétabilité des essais .......................................................................................................................... 46

IV.1.Variation cycle à cycle du moteur .................................................................................................. 46

IV.2. Répétabilité des essais .................................................................................................................. 46

IV.3.Répétabilité des analyseurs ........................................................................................................... 47

V. Problèmes rencontrés ............................................................................................................................ 47

Conclusion partielle .................................................................................................. 48

PARTIE III : RESULTATS ET ETUDES ENVIRONNEMENTALES .................. 49

Chapitre I: Résultats, discussions et analyses ............................................................................................... 50

I. Les principales émissions de gaz à l’échappement ................................................................................. 50

I.1. Oxyde d’azote NOx ........................................................................................................................... 50

I.2.Oxygène ............................................................................................................................................ 52

I.3.Gaz carbonique ................................................................................................................................. 54

I.4. Monoxyde de carbone ..................................................................................................................... 55

II. Performances du moteur ....................................................................................................................... 57

II.1. Température d’échappement ........................................................................................................ 57

II.2. Température de fumée .................................................................................................................. 58

II.3. Consommation spécifique .............................................................................................................. 60

II.4. Rendement global .......................................................................................................................... 62

II.5. La formation de dépôts .................................................................................................................. 64

III. Récapitulatif de l’effet EGR avec l’HFU et le gasoil ............................................................................... 64

Chapitre II : Etudes des impacts environnementaux..................................................................................... 66

I. Introduction ................................................................................................................................ 66

I.1. Définitions ....................................................................................................................................... 66

I.2. Caractéristiques ............................................................................................................................... 66

81

II. Objectifs ...................................................................................................................................... 66

II.1. Objectifs générales ......................................................................................................................... 66

II.2. Objectif du travail ........................................................................................................................... 67

Chapitre II : Evaluation des impacts environnementaux............................................................................... 68

I. Impacts négatifs....................................................................................................................................... 68

I.1.Le déversement accidentel de l’huile ............................................................................................... 68

I.2. Les eaux usées ................................................................................................................................. 68

I.3. Le stockage et l’utilisation des produits chimiques ......................................................................... 69

I.4. Production des particules ................................................................................................................ 69

I.5. Augmentation de la consommation en carburant .......................................................................... 70

I.6. Augmentation des suies .................................................................................................................. 70

II. Impacts positifs ....................................................................................................................................... 70

II.1.Réduction des oxydes d’azotes ....................................................................................................... 70

II.2 Atténuation de la création de gaz carbonique ............................................................................... 71

II.3. Diminution des GES ........................................................................................................................ 71

II.4. Amélioration de la santé humaine ................................................................................................. 72

CONCLUSION ......................................................................................................... 74

REFERENCES BIBLIOGRAPHIQUES .................................................................. 75

TABLES DES MATIERES ...................................................................................... 78

83

L’analyseur de gaz Seitron Le thermomètre numérique

.

Le logiciel CAT Electronic Technician

Annexe 2. Calcul du taux d'EGR Le taux d'EGR est recalculé en raison de l'encrassement du filtre céramique servant à l'acquisition du

taux d'EGR. Le filtre étant changé chaque matin, les cinq premières valeurs relevées vont servir de

références pour recalculer le taux d'EGR. Le taux d'EGR ne peut être recalculé que pour des points de

fonctionnement moteur avec certaines caractéristiques communes : le régime moteur N, le richesse ɸ

, la pression admission P et la température admission T afin de conserver un rendement volumétrique

constant.

Soit A le point de référence et B le point de fonctionnement dont il faut recalculer le taux d'EGR. Par

acquisition du point de fonctionnement A, on a le débit d'air QairA, le taux d'EGR Tx EGR A

et le rendement volumétrique en air frais ɳ vol airA .

84

On peut d'abord calculer le débit d'air EGR :

On en déduit ainsi le rendement volumétrique total du moteur à ce point de fonctionnement :

On peut donc recalculer le taux d'EGR du point B. A noter que pour le point B, sont acquis les valeurs

expérimentales du débit d'air Q air B et du rendement volumétrique en air frais ɳ vol airB , valeurs

nullement influencées par l'acquisition des valeurs du taux d'EGR.

On en déduit alors le taux d'EGR au point de fonctionnement B :

Annexe 3 : Caractéristiques des analyseurs de gaz employés

Pour analyser les gaz brûlés présents dans le circuit EGR, on rappelle qu'une baie 5 gaz (non présentée

de nouveau ici), un chromatographe GC-FID, un chromatographe HPLC et un chromatographe GC-

MS ont été utilisés.

Annexe 3.1. Caractéristiques du chromatographe GC-FID

Le chromatographe à phase gazeuse GC équipé d‘un FID, utilisé pour l‘analyse des HC lors de nos

essais moteurs, était un modèle Varian 3400. Ce chromatographe est équipé d'une colonne en alumine

Al2 O3/KCl, de 50m de long et de 0,53mm de diamètre intérieur. La boucle d'injection est de 30mL

mais une fois l'échantillon injecté dans la boucle, il est poussé par un flux d'Hélium. Une partie est

évacuée par la fuite de 30mL/min, et le reste est injecté dans la colonne.

87

L’indice de réfraction, lié à l’insaturation est influencé par de nombreux autres facteurs :

acidité libre, oxydation, polymérisation, existence de fonction secondaire sur les molécules.

- Poids spécifique

Le poids spécifique est le rapport de la masse d’un volume d’un combustible donné à la température

de 15°C à la masse du même volume d’eau pris à 40°C.

- Point d’éclair

Le point d’éclair correspond à la température minimale au-dessus de laquelle se produit une

inflammation.

- Point de fusion (Tf) et le point de solidification (Ts)

Ils déterminent l’état du corps gras à chaque domaine de température. Les corps gras à Tf et Ts

élevés sont des solides à la température ambiante, tandis que ceux qui ont des Tf et Tsfaibles sont

des liquides.

Par définition, le point de fusion (Tf) est la température à laquelle le corps passe de l’état solide à

l’état liquide (à des conditions de pression données) et le point de solidification (Ts) est la

température à laquelle le même corps passe de l’état liquide à l’état solide.

On a Ts = Tf pour un corps pur.

- Le point trouble et le point d’écoulement

Ces deux propriétés permettent de mieux apprécier les comportements à froids des corps

gras.

Le point trouble est la température à laquelle des précipités solides commencent à se former

dans le corps gras liquide homogène. C’est le début de solidification. Le point d’écoulement

est la température à laquelle le corps gras n’est plus capable de s’écouler librement. Il est solidifié.

- Pouvoir calorifique

Le pouvoir calorifique d’un liquide est la quantité de chaleur dégagée par la combustion

complète d’un kilogramme de ce combustible pris à la température T et la pression P, où l’eau se

retrouve à l’état de vapeur. Il est relativement élevé pour les matières grasses d’oùl’utilisation

88

des corps gras comme combustible

- Viscosité

La viscosité est liée à la longueur des chaînes grasses et de leurs degrés d’insaturation. Elle est

déterminée en mesurant le temps nécessaire pour passer une quantité donnée d’huile à travers un

orifice d’ouverture donnée.

Technologies de transformation

Selon la nature des matières premières, il existe plusieurs techniques d’extraction des

huiles végétales. Parmi ces techniques, les deux modes d’extraction suivant sont les plus

utilisés :

- Extraction par pression

- Extraction par solvant

II-1-4-1 Extraction par pression

Pour extraire l’huile végétale, on utilise des pressoirs manuels et motorisés. Les pressoirs

sont équipés d’un piston pour écraser les graines d’une cage, extrayant ainsi l’huile des

graines.

L’extraction se fait en quatre étapes :

- Le concassage

Souvent, l’organe renfermant l’huile de la plante oléagineuse se présente sous forme de graine.

Ainsi pour faciliter l’extraction, la graine oléagineuse doit être concassée pour séparer la coke de

l’amande.

- Le chauffage

Après concassage, on porte les produits obtenus à une certaine température pendant une

dizaine de minutes. Il a pour but de faire éclater les cellules contenant l’huile, de diminuer la

89

viscosité de l’huile et par conséquent, d’accélérer la vitesse de l’extraction de l’huile lors du

pressage.

- Le pressage

Le pressage consiste à chasser l’huile des graines qui les contiennent par l’action d’une force de

pression. On obtient de l’huile brute et du résidu solide appelé tourteau.

- La purification

La purification permet de séparer l’huile propre des cellules oléifères non rompues, des impuretés,

l’eau, et enfin le sable et les fibres qui se déposent au fond. Elle permet donc d’augmenter la durée

de vie des huiles.

Deux procédés sont possibles :

- La sédimentation : C’est la plus facile à mettre en œuvre pour l’obtention d’une

huile claire. On obtient deux couches. L’huile est séparée du sédiment par simple

soutirage.

- L’ébullition avec l’eau : Elle consiste à bouillir l’huile brute avec 20% d’eau.

Annexe 5 : Présentation de l’entreprise HENRI FRAISE FILS & Cie

L’entreprise était fondée en1921 par un investisseur français appelé Henri Eugène Fraise qui l’a baptisé

« Henri Fraise ». En ce temps-là, la société étant implantée à la place Minault à Antanimena. Quelques

années plus tard, les trois fils de monsieur Eugène Fraise prenaient le relais sur la gestion et le contrôle

de la société qui, depuis, était baptisé « Henri Fraise ».

Depuis sa fondation en1921, la société a connue de grande évolution notamment sur ces activités

comme la représentation des grandes marques à l’instar de GOOD YEAR,CATERPILLAR, JOHN

DEER, HYSTER, MANITOU, pour n’en citer que peu.

En 1961, elle était transférée de la place Minault à Ankorondrano où se situe son siège social

jusqu’aujourd’hui.

90

A ce jour, on y compte 400 employés et le chiffre d’affaires annuel s’élève à 20 milliards Ariary. La

société possède aussi un bureau de liaison à Mayotte, Seychelles.

L’entreprise est bien connue par ses diverses activités parmi lesquels on peut compter :

L’exportation qui occupe une place importante dans la société et qui consiste à exporter du

café, de la vanille vers les USA et l’Europe.

L’importation qui consiste à assurer le rôle de distributeur exclusif des produits de marques

étrangères.

Les présentations de services comme l’assurance et l’agence de voyages

91

RESUME

Ce travail de mémoire s’intéresse à la protection de l’environnement et aux progrès de la technologie

car il évalue les impacts des gaz d’échappement recirculés et l’utilisation de biocarburant .L’ étude se

porte sur une approche théorique d’une part ,et elle prend également en compte une réalisation pratique

d’autre part .L’objectif de cette étude est de valider qu’en connaissant les impacts de l’association

entre l’EGR et le biocarburant, on arrive à une atténuation de l’émission des effets des gaz nocifs .Les

résultats obtenus révèlent une fin prometteuse grâce à la diminution des émissions des gaz nocifs .Nous

avons proposés quand même que cette étude peut être encore approfondie car plusieurs amélioration

peuvent être encore l’optimiser.

ABSTRACT

This work of memory focuses on the protection of the environment and the progress of technology

because it assesses the impacts of recirculated exhaust gas and the use of biofuel. The study is based

on a theoretical approach of on the other hand, and it also takes into account a practical realization in

order to verify the results. The objective of this study is to validate that by knowing the impacts, the

biofuel associated with the EGR will mitigate the emission of the effects of harmful gases. The results

obtained reveal a promising end thanks to the reduction of the emissions of the harmful gases. We

proposed nevertheless that this study can be further deepened because several improvements can be

further optimized

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