Injecteur Diesel et mouvement de l’aiguille

Injecteur Diesel et mouvement de l’aiguille 

Le rendement d’un moteur à combustion interne est en grande partie lié au système d’injection en particulier, l’injecteur de carburant est un élément crucial dans le moteur Diesel. Ce dernier maillon du système d’injection est chargé d’introduire une masse de carburant à des instants très précis dans la chambre de combustion. Les pressions d’injection y sont suffisamment élevées (jusqu’à 200 MPa) pour introduire de très fines gouttelettes de carburant à très grandes vitesses dans la chambre de combustion. L’élévation de la température dans le volume de la chambre favorise ensuite l’auto-inflammation du mélange air/carburant ainsi formé.

Importance des caractéristiques de l’écoulement interne 

Dans le cadre des stratégies d’injections multiples, l’étude de l’écoulement interne de l’injecteur de carburant est rendue importante du point de vue de l’ingénierie afin de répondre aux normes contraignantes des émissions polluantes tolérées. En effet, plusieurs études ont prouvé que l’écoulement interne a un impact majeur sur le spray, la formation du mélange air/carburant et sur la combustion. Par exemple, Payri et al. (2009b) ont montré une grande influence des paramètres de l’écoulement interne sur le diamètre des gouttes de carburant pulvérisé par l’injecteur et sur le temps nécessaire pour les vaporiser dans la chambre de combustion. Ainsi à faibles pressions d’injection, le temps de vaporisation est plus grand dans le cas des buses ayant de grands diamètres. À hautes pressions d’injection, l’apparition de la cavitation dans les buses cylindriques diminue le temps de vaporisation alors que l’effet des buses coniques reste négligeable.

Cette complexité des caractéristiques de l’écoulement interne résulte des effets combinés de trois principaux facteurs (Bode et al., 2014; Chouak et al., 2015; Schmidt et Corradini, 2001), à savoir : la cavitation, la turbulence et le mouvement de l’aiguille. Pour mieux comprendre ces trois effets, plusieurs études expérimentales et numériques se sont intéressées aux caractéristiques de l’écoulement interne dans l’injecteur Diesel. Une revue des principales conclusions est donnée ci-dessous. Dans cette thèse, nous nous intéressons plus aux effets de la turbulence et du mouvement de l’aiguille. Pour cela, nous allons rapidement survoler les résultats sur la cavitation dans la revue. À noter que le problème de cavitation a déjà fait l’objet d’études numériques antérieures par Mousseau (2014) et Pelletingeas (2014), le lecteur intéressé pourra s’y référer pour plus de détails.

Caractérisation expérimentale 

Initialement, la caractérisation expérimentale a commencé par l’écoulement en sortie de la buse de l’injecteur. En particulier, l’injecteur à trou unique a été caractérisé par Sandia National Laboratories (Naber et Siebers, 1996; Siebers, 1999) dans la phase quasi-stationnaire de pleine ouverture de l’aiguille. Les mesures du débit massique, ݉m , et du flux de quantité de mouvement, M , ont permis de déduire les trois coefficients caractéristiques de l’écoulement dans la buse : le coefficient de décharge (ou de débit Cd) caractérise le débit d’injection, le coefficient de vitesse (Cv) caractérise la vitesse moyenne en sortie, et finalement le coefficient de contraction d’aire (Ca) caractérise le phénomène de cavitation dans la buse.

Compte tenu des faibles dimensions de l’injecteur et des courtes durées d’injection (~1 ms et moins), l’observation de la structure de l’écoulement interne, en particulier la phase liquide, reste difficile. Ainsi, les études expérimentales se sont principalement orientées vers : 1) l’observation de la phase vapeur de la cavitation pour mieux comprendre ses sites d’initiation et son développement (Andriotis, Gavaises et Arcoumanis, 2008; Arcoumanis et al., 2001; König et Blessing, 2002) ; 2) la caractérisation 3D de la géométrie de l’injecteur et du mouvement de l’aiguille (Kastengren et al., 2009; Powell et al., 2010).

Caractérisation numérique 

Compte tenu des avancées récentes en ressources de calcul, de la robustesse des algorithmes et des modèles mathématiques développés pour la mécanique des fluides numérique, dite CFD (en anglais Computational Fluid Dynamics), la simulation numérique est devenue une alternative intéressante pour une description plus détaillée de la structure de l’écoulement interne dans l’injecteur. En particulier, une bonne prédiction des caractéristiques de l’écoulement interne doit tenir compte des phénomènes complexes tels que la cavitation, la turbulence et le mouvement transitoire de l’aiguille

En ce qui concerne le phénomène de cavitation, il ne fait pas l’objet d’étude dans cette thèse puisqu’il a bien été caractérisé dans la littérature en particulier dans la buse de l’injecteur (Mousseau, 2014; Pelletingeas, 2014). De plus, divers études numériques ont montré que les modèles CFD sont capables de prédire avec fidélité les trois types de cavitation possibles rencontrés dans l’injecteur à savoir : 1) la cavitation géométrique dans la buse (Giannadakis, Gavaises et Arcoumanis, 2008; Koukouvinis et al., 2016; Mousseau, 2014; Pelletingeas, 2014); 2) la cavitation dynamique dans le sac des injecteurs multi-trous (Afzal et al., 1999; Andriotis, Gavaises et Arcoumanis, 2008; Koukouvinis et al., 2016), ou même 3) la cavitation locale au niveau de la zone du siège de l’aiguille qui apparaît à très faibles levées (Battistoni, Xue et Som, 2016; Koukouvinis et al., 2016; Örley et al., 2017).