Experimental and thermodynamical study of water injection at the intake of an automotive Diesel engine for in-cylinder emission reduction
ÉTUDE EXPERIMENTALE ET THERMODYNAMIQUE DE L’INJECTION D’EAU A L’ADMISSION D’UN MOTEUR DIESEL AUTOMOBILE POUR LA REDUCTION A LA SOURCE DES EMISSIONS POLLUANTES
Résumé
The pollutant emission reduction of automotive Diesel engine has become a difficult challenge during the last decade. NOx after-treatment is still complex and expensive, thus in cylinder reduction remains of interest. For that purpose, there are some well established technologies, such as exhaust gas recirculation (EGR). The aim of this study is to evaluate water injection at the engine intake, which is already in use on some industrial engines.
First a bibliographic survey is presented. State of the art Diesel combustion and corresponding pollutant emissions descriptions and analyses are summarized. Previous studies on water injection are then detailed: the various techniques of water injection are described and compared, in particular, their effects on combustion and emissions.
The experimental setup is then presented. This includes the engine itself as well as the water injection system with a short history of its development to its present, stable, form. Measurement methods are also explained and detailed.
Following that, thermodynamic relations are developed to describe liquid water mixing with the intake air and its evaporation.
They are used to evaluate the quantities of vaporised water in the intake track and eventually inside the cylinder, during intake and compression strokes.
Finally, the results obtained on the engine test bench with the water injection system are presented. These results are analysed and compared to both baseline operating points and also to low-pressure exhaust gas recirculation. In light of the obtained test results, conclusions are drawn discussing the different effects of water injection on diesel engine combustion and emissions.
La réduction des émissions polluantes des moteurs Diesel automobile est devenue un enjeu majeur ces dernières années. Le post-traitement des NOx restant complexe et onéreux, la réduction à la source est intéressante. Pour ce faire, il existe certaines techniques classiques comme la recirculation des gaz d’échappement refroidis (EGR). L’objectif de cette thèse est d’évaluer le potentiel de l’injection d’eau à l’admission du moteur, qui est utilisée sur certain moteurs Diesel industriels.
Une étude bibliographique est tout d’abord menée. Après avoir brièvement rappelé l’état de l’art sur la compréhension de la combustion Diesel et des émissions polluantes qui s’y rattachent, une analyse détaillée des travaux précédents est présentée. Les différentes techniques d’injection d’eau sont décrites et comparées, notamment du point de vue de leurs effets sur la combustion et les émissions polluantes.
Le dispositif expérimental est ensuite présenté, en particulier le moteur utilisé, le système d’injection d’eau mis en place avec les différentes étapes de son développement et principaux systèmes de mesure et d’acquisition.
Les équations de thermodynamique régissant le mélange de l’eau liquide avec l’air d’admission puis son éventuelle évaporation sont également établies.
Elles sont alors utilisées pour évaluer en fonction des paramètres d’influence, les quantités d’eau évaporées dans le circuit d’admission du moteur et, le cas échéant, dans le cylindre, lors des phases d’admission et de compression, en particulier dans les configurations testées expérimentalement.
Finalement les résultats expérimentaux obtenus au banc d’essais moteur avec l’injection d’eau sont exposés. L’influence de l’eau et ces différents effets sur la combustion et sur les émissions polluantes sont analysés et comparés à ceux de l’EGR.
Origine : Fichiers produits par l'(les) auteur(s)