Etude et amélioration d`un moteur diesel fonctionnant avec

REPUBLIQUE DU MALI
MINISTERE DE T'ENSEIGNEMENT
UN PEUPLE . UN BUT
SUPERIEUR ET DE LA RECHERCHE SCIENTIFIQUE
-
UNE FOI
Direction Nationale de l'Enseignement
Supérieur et de la Recherche Scientifique
Ecole Nationale d'lngénieurs
410, Avenue Van Vollenhoven
-
Bamako
-
BP 242
- Abderhamane
-
Baba Touré
Té1. : (2231 20 22 27
36 Fax : (223) 20 21 50 38
ATELIER NATIONAL SUR LA CAPITALISATION DES CONNAISSANCES ET SAVOIR-FAIRE SUR
LA FIL!ERE DES BIOCARBURANTS AU MALI
Thème
Etude et amélioration d'un moteur diesel fonctionnant avec !'huile végétale pure : cas du
moteur indien PMLI GOLD avec de l'huile de pourghère
Equipe de recherche
Prénom (s) et NOM
Arona COULIBALY
Daouda COULIBALY
Gaoussou COULIBALY
Moussa DABITAO
Fonction
E
nseisna nt-chercheu r
E
nseien
a
Grade
Maître de Conférences
Maître de Conférences
nt-chercheu r
Service
ENI.ABT
ENI-ABT
lngénleur
lngén ieu r
DAF.MA
Chef de Service Recherche et
Déveloooement Durable
DEA
ANADEB
Présenté par
Daouda Coulibaly
Bamako, le 21 Décembre 2012
Résumé
Des essais sont réalisés simultanément sur deux moteurs diesel identique PMLI GOLD avec l'huile de
pourghère et le gazole. Les moteurs ont étés soumis à deux séries de fonctionnement: essais à régime de
vitesse constante, puis à vitesse variable. Pour le moteur fonctionnant à l'huile de pourghère, des essais ont
lieu,avec ou sans préchauffage de l'huile avant sont admission dans le moteu.r. Les performances des deux
moteurs sont ensuite comparées à l'issu de ces essais.
lntroduction
Les moteurs diesel PMLI GOLD de fabrication indienne sont très utilisés au Mali pour entraîner les moulins et
dans les plateformes multifonctionnelles pour produire de l'électricité. Le carburant utilisé est le gazole dont le
prix ne cesse d'augmenter avec le cours du pétrole brut. La première crise du pétrole dans les années soixante-
dix a donné un regain d'intérêt aux énergies renouvelables. Parmi celles-ci, on note les huiles végétales
pouvant se substituer au gazole dans les moteurs diésel. On distingue l'huile végétale pure (HVP) et le biodiesel
lorsque celle-ci subit des traitements chimiques pour améliorer ses caractéristiques en tant que carburant.
Les changements climatiques observés depuis quelques décennies ont conduits à développer d'avantage les
recherches sur les biocarburants, en particulier le biodiesel. Ainsi, en 2OO7, !0.204 millions de litres de
biodiesel ont été produits dans le monde dont 1688 millions aux USA et 6109 millions dans l'Union
Européenne [1]. Des études d'adaptation du moteur diesel à l'huile de pourghère ont été effectuées [Z].
Le développement de l'électrification rurale en privilégiant les énergies renouvelables fait partie de Politique
énergétique nationale du Mali. Aussi, le Programme National de Vulgarisation Energétique de la Plante de
Pourghère (PNVEP) a été mis en place en 2004 pour une durée de 5 ans [3]. Le cadre institutionnel et
organisationnel du secteur énergétique malien a connu à l'instar d'autres agences, la création de l'Agence
Nationale pour le Développement des Biocarburants (ANADEB) en 2009 en tant qu'Etablissement Public à
caractère Administratif (EPA).
Le présent document est le fruit d'un partenariat entre l'ENI-ABT et I'ANADEB qui a fournit deux moteurs PLM
GOLD dans le cadre de la convention de partenariat qui lie nos deux parties pour mener des recherches sur
l'étude du comportement du moteur diesel à l'huile végétale brute de pourghère. Afin de pouvoir mettre en
évidence l'influence du carburant, l'un des moteurs est alimenté avec de l'huile végétale brute de pourghère
tandis que l'autre fonctionne avec du gazole.
It.
Obiectif elobal
Evaluer les performances du moteur diesel Lister PMLI Gold fonctionnant avec l'huile brute de pourghère.
lt1.
Obiectifs spécifiques
ldentifier les différents paramètres pouvant agir sur les performances du moteur fonctionnant à l'huile
pure de pourghère,
Améliorer ces performances.
tv.
Résultats attendus
Les paramètres influençant le fonctionnement du moteur à l'huile brute de pourghère seront
connus
;
Des méthodes d'amélioration des de l'utilisation de l'huile pure de pourghère comme carburants
seront proposées.
V.
Matériel et méthodes
Les essais sont réalisés sur deux moteurs diesel PMLI GOLD identiques, de puissance 10 BHP soit 7,457 kW et
de vitesse de rotation 1000 tours par minute.
V.1. Description de l'installation
du laboratoire thermique appliquée de l'ENI-ABT où les
ont été réalisés. Le banc d'essai d'un moteur comprend un moteur PMLI GOLD, un système de
refroidissement par eau constitué d'un réservoir d'eau et deux conduits, un dispositif de mesure de débit
d'air admis dans le moteur (réservoir d'air), un réservoir de carburant et une éprouvette graduée pour la
mesure du débit de carburant. A ce stade des essais, le générateur électrique permettant de charger le
Les deux moteurs sont implantés dans l'enceinte
essais
moteur n'a pas encore été installé.
Le schéma
Rëservoir à carburunl
de l'installation est représenté sur la figure
1.
--'>1
'-:-_-.:
Réservoir
d eau
,.:
ir,l
-
...'
'.
(-otrduils d'euu
I
lote
,,-' .]
l
i 1\nn,,o,,,o,
ur
Figure 1 : Schéma du banc d'essai du moteur
Le dlspositif de refroidissement comprend deux barriques de capacité unitaire 200 litres, superposées et
soudées entre elles, puis reliées au moteur par deux raccords de tuyaux souples de 2 m chacun servant de
conduits d'aller et de retour pour l'eau de refroidissement du moteur. La capacité totale est de 400 litres,
mais le réservoir contient 365 litres d'eau. La circulation de l'eau est assurée par thermosiphon avec une
vitesse de l'ordre de 20 cm / s.
L'implantation du moteur a nécessité une partie maçonnerie à savoir la réalisation d'un socle en béton de 2,3
m de longueur sur 0,75 m de largeur et 9,5 cm de hauteur dans lequel est encastré un support métallique. Le
moteur est ensuite solidement vissé sur le support à l'aide de quatre boulons pour éviter les secousses. Des
caoutchoucs découpés dans de vieux pneus sont placés entre le moteur et le support pour amortir les chocs
et réduire les secousses.
Les
spécifications techniques du moteur sont présentées dans le tableau
1.
ableau 1 : caractéristiques du moteur
Moteur à huile de pourghère
Model
Numéro de série
Puissance
Vitesse de rotation
Nombre de cylindre
Type d'injection
I njecteu r
Mode de refroidissement
Copie LISTER 10/1 (L0chevaux, monocylindre)
8
10 BHP soit 7,457 kW
1000 RPM
1(monocylindre)
lnjection directe
lnjecteur à un seul jet
Refroidissement par thermo circulation d'eau
Ces caractéristiques ne diffèrent de celles du moteur à gazole que par le numéro de série qui est 11.
Les carburants utilisés au cours des essais sont de l'huile végétale pure à base de pourghère et le gazole.
L'huile de pourghère a été analysée et les résultats obtenus sont mentionnés dans le tableau 2.
Tableau 2 : Rapports d'analyse de l'huile brute de pourghère
HAPPORT D'ANALYSE D'HUILE
CLIENT:
1
txl
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''
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1
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t
ltT
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s
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6g
g@@
r@o
l
NorrMÀL
O
-t
l
l
Les analyses montrent la présence des éléments tels du fer, d'oxydes et de sulfates. L'huile est donc
considérée comme anormale mais pas inutilisable. L'anomalie est surtout marquée par la présence d'oxydes.
V.2. lnstrumentation
Les températures de l'eau de refroidissement sont mesurées
à l'entrée et à la sortie du moteur à l'aide de
deux thermocouples de type K (figure 2).
Thermocouples
Figure 2 : thermocouples dans le système de refroidissement
Le débit de carburant est mesuré à l'aide dune éprouvette graduée située entre le réservoir et le moteur
(figure 3). En fermant le robinet d'alimentation de l'éprouvette, on mesure la quantité de carburant admis
dans le moteur et le temps d'écoulement correspondant. Le débit de carburant est alors calculé en appliquarrt
la relation (1) :
m-=
c-
masse de carburant écoulée
t"^pun**^et
(1)
e
Réservoir à carburant
Eprouvette graduée
Figure 3 : Réservoir et éprouvette de mesure du débit de carburant
Le débit d'air est mesuré indirectement à partir de la dépression créée par l'aspiration de l'air admis dans le
moteur. A cet effet, la prise d'air extérieur est assurée par un orifice calibré et la différence de pression est lue
sur un manomètre à eau dont une extrémité est à la pression atmosphérique et l'autre à l'intérieur
réservoir d'air.
du
Admission d'air extérieur (section
So, diamètre d=51,974 mm )
Réservoir d'air
Prise d'air pour
manomètre
Coude de raccordement pour la
sortie d'air
Manomètre à eau
Figure 4 : dispositif de mesure du débit d'air
Pour le dispositif de mesure adopté, le débit massique d'air est calculé avec la relation (2)
h,:5,72.10-3.a'. l':n
ÿo
:
(2)
Avec d : diamètre de l'orifice d'entrée du réservoir (en mm) ; Ba : pression barométrique en millimètre de
mercure (mm Hg) ; Ta : température ambiante (degré Kelvin) ; h : différence de niveau manométrique en
millimètre de colonne d'eau (mm HzO).
Enfin, un tachymètre mesure la vitesse de rotation du moteur.
V.3. Méthodologie
L'expérience comporte trois types d'essais :
. Une série d'essais préliminaires pour vérifier l'état de l'installation et le bon fonctionnement des
dispositifs de mesures ;
. Une série d'essals sans préchauffage de l'huile en régime constant et variable;
. Une série d'essais avec préchauffage de l'huile en régime variable.
Le mode opératoire est le même pour chacun des essais. Avant toute manipulation, les niveaux de l'eau de
refroidissement et de l'huile de lubrification du moteur sont vérifiés et ajustés si nécessaire. Le démarrage du
moteur se fait à l'aide d'une manivelle.
Après la mise en marche, les mesures sont effectuées à intervalle régulier de trente minutes. Les mesures ont
consisté à relever les températures de l'air, des gaz d'échappement et de l'eau de refroidissement, la vitesse
de rotation du moteur, les débits d'air et de carburant, la vitesse des gaz d'échappement.
Comme tous les autres essais qui suivront après, ces séries d'essals se font à vide. ll n'y a donc pas de charge
appliquée au moteur.
vt.
Résultats obtenus
V|.1. Les essois préliminaires
Apres avoir fini toute l'installation, un test de mise en marche du moteur d'une durée de 7 heures et prolongé
sur plusieurs jours afin de permettre de faire les derniers réglages. Cela a permis de colmater les fuites sur les
conduits d'eau et de revoir la fixation du moteur pour remédier aux vibrations subitement élevées. Pour
réduire les vibrations de plus en plus importantes, les caoutchoucs placés entre le moteur et le support sont
enlevés.
V|.2. Les essqis sans préchouffoge de I'huile de pourghère
V|.2.1. Les essais à vitesse de rotation constante
Pendant ces séries d'essais qui durent chacune 5 heures de fonctionnement continu du moteur, la vitesse de
rotation du moteur est maintenue à 950 tr/mn. L'expérience est effectuée dans les mêmes conditions et
simultanément sur un autre moteur identique, mais fonctionnant au gazole, dans le but de comparer
I'analyse des résultats des tests effectués. Les débits de carburant mesurés par intervalle de 30 minutes sont
présentés sur la figure 5.
Débits de carburant à 950 tr/mn
0,18
0,16
@
0,!4
c(E 0,12
5 0,10
.ct
L
rE
(J
o
0,08
ï,
0,06
ll.o
0,o4
Ë
o
_+_
HVP
+
Gazole
o,o2
0,00
68
10
L2
Série de mesures
Figure 5 : débit moyen de carburant consommé par les moteurs à HVP et à gazole
On constate une légère baisse des débits dans chaque moteur dû en partie au réchauffement progressif de
ceux-ci d'où une meilleure combustion de l'huile de pourghère aussi bien que du gazole. Les débits ont
tendance à se stabiliser dans le temps. En moyenne, la consommation en huile de pourghère est 32% plus
élevée que celle en gazole.
A partir des débits moyens, on détermine les puissances fournie par la combustion à chaque banc de moteur.
Les débits moyens de carburant sont 0,155 g/s d'huile et 0,117 g/s de gazole. En appliquant la relation
suivante, on détermine la puissance fournie PS gar la combustion :
Pr
= tlL,.PCl
(en kW)
(3)
Avec rn. le débit massique de carburant (kg/s) et PCI le pouvoir calorifique inférieur du carburant en kJlkg.
De même, la puissance perdue par le refroidissement dû à l'eau, Ç, est calculée avec la relation (4) :
P,
:
ù".cpe.ATe (en kW)
(4)
oir rie débit d'eau lkg/sl, cre chaleur massique de l'eau (kJ/kg.K) et Â?, la différence de température entre
l'entrée et la sortie du moteur (en Kelvin). Les puissances fournies aux deux moteurs sont présentées dans le
tableau
2.
Tableau 2 : Puissance de combustion dans les moteurs
Débit (kslsl
Le
PCI
(U/ksl
P,
(kw)
HVP
1,55E-04
38874
6,O
gazole
t,L7E-O4
41930
4,9
tableau 3 ci-dessous montre le récapitulatif des résultats obtenus sur le moteur à huile de pourghère.
des résultats des essais du moteur à HVP
Tableau 3
Moteur à huile de
Paramètre
Consommation moyenne de carburant (kg/s)
oourshère
1.,55.10
Puissance fournie (kW)
6,0
Pertes par refroidissement (kW)
Température moyenne de l'eau à l'entrée du moteur ("C)
0,88
Température moyenne de l'eau à la sortie du moteur ("C)
66,6
34,7
Consommation moyenne d'air (kg/s)
1,09.10''
Température moyenne des gaz d'échappement
("C)
70,26
Les mesures ont permis de constater des gaz d'échappement plus chauds du moteur à huile de pourghère
comparés à ceux du moteur à gazole (figure 6).
80
c
o
Ezs
CL
CL
(!
€70
:o
!
§o.e 65
*Pourghère
ï,o
E60
5
..,.e--sazole
l!
'H.
ss
E
o
F
50
45678
10
11-
Série de mesure
Figure 6 : Températures des gaz d'échappement émis par les deux moteurs
V|.2.2. Les essais à vitesse de rotation variable
Le but est d'identifier le comportement des moteurs aux différentes vitesses de rotation. Les essais en régime
variable consistent à faire varier par régression la vitesse de rotation du moteur jusqu'à son essoufflement et
à mesurer la variation des paramètres (consommation, température et puissance). A chaque régirne de
vitesse, les mesures d'une série sont relevées sur 30 minutes après 15 minutes de stabilisation du
fonctionnement. L'évolution des débits de carburants en fonction de la vitesse de rotation est représentée
sur la figure 7. Le débit de carburant est plus grand avec l'huile de pourghère quel que soit le régime de
vitesse.
-".**Moteur à huile de pourghère
*-*-*Moteur
à gazole
1,80E-04
1,60E-04
L,4OE-04
ào
.Y
c(!
t,208-04
,
1,00E-04
(J
8,00E-05
l!
(!
ï,o
.Ë
lt
.o
6,00E-05
ô
4,00E-05
2,00E-05
0,00E+00
500
600
700
800
900
1000
1100
vitesse {tr/mn)
Figure 7 : débit moyen de carburant consommé par les moteurs à huile de pourghère et à gazole
Le
tableau 3 résume les résultats obtenus en fonction du réglme du moteur à huile de pourghère.
Tableau 3 : Récapitulatif des résultats des essais du moteur à huile de
Vitesse de rotation (tr/mn)
Paramètre
1000
900
800
700
Consommation moyenne de carburant (g/s)
600
s00
0,o92
o,o77
23,3
2t,t
t7,5
4,48
3,60
2,76
2
1,50
0,115.
0,156
0,138
Consommation moyenne d'air (kg/s)
27,5
26,7
25
Puissance fournie (kW)
6,07
5,3s
5,06
Pertes par refroidissement (kW)
0,6s
1,35
7,57
1,83
Vl.i.
Les essoîs ovec
0,13
préchouffoge de l'huile dqns un échongeur de chaleur
Les débits de carburant élevés qui ont été mesurés avec l'huile de pourghère peuvent être dus en partie à sa
viscosité relativement élevée par rapport à celle du gazole. Selon la littérature, elle est de l'ordre de 75,6
mm'/s pour I'huile brute de pourghère et 6 mm2/s pour le gazole, à 20"C. Le moteur étant conçu pour utiliser
le gazole, ceci pose des problèmes d'écoulement de l'huile au niveau du système d'injection et des filtres. Les
caractéristiques du carburant injecté dans la chambre de combustion du moteur s'en trouvent affectées.
Quant aux gaz d'échappement plus chauds, cela s'explique par l'indice de cétane plus grand des huiles
végétales d'où une température de la chambre de combustion plus au-dessus de laquelle le gazole s'auto
enflamme.
Nous nous proposons de réchauffer l'huile afin de diminuer sa viscosité. Le protocole expérimental reste
comme précédemment. Seul un échangeur de chaleur constitué d'un tube de cuivre de diamètre intérieur 5
mm, dans lequel circule l'huile, entoure le tuyau d'échappement (figure 8).
Figure 8 : échangeur réchauffeur d'huile là gauche : échongeur nu ; ù droîte : échangeur isolél
Les mesures
relevées sont présentées dans le tableau 4.
Tableau 4 : Paramètres relevés en fonction du régime avec gLt tqu I I
Température
Débit
Températur
Régime
Débit de
(trlmn)
carburant
(kels)
d'huile
Température
Température
Eaz
eau à l'entrée
eau à la sortie
du moteur ("c)
du moteur ("c)
("c)
d'échappeme
nt ("c)
d'air
e
(kels)
comburant
1000
1,47.70
3,58.10-'
30,8
120,5
29,3
47
900
1,,32.1,O
3,10.10'
33,8
L22,t5
29,7
57,t5
800
1,22.1O
3,06.10-'
33,8
124,7
29,9
58,24
700
1,09.10 "
2,90.70
34,65
109,65
30,3
61,9
500
8,66.10-'
2,82.1.0''
35,3
93,7
34,05
6L,5
On note une diminution conséquente du débit massique d'huile comme présenté sur la figure 9 d'où une
baisse des puissances fournies au moteur (tableau 5).
*+-avec echangeur','{*sans
echangeur
1,80E-04
^
1,60E-04
ào
5c
r,+oe-oq
Ë
7,208-04
.9
E
ç
§
r,oor-o+
o
'
8,ooE-05
I
6,00E-05
600
800
900
1000
1100
Vitesse (tr/mn)
Figure 8 : comparaison des consommations d'huile
10
Tableau 5 : les puissances fournies pour les différentes vitesses de rotation
Vitesse de rotation (tr/mn)
Puissance fournie (kW)
1000
900
800
700
500
Vll.
Les
5,72
5,L2
4,74
4,22
3,36
groupes cibles ou bénéficiaires des résultats
L'adaptation de l'huile brute de pourghère au moteur diesel PMLI GOLD touche plusieurs groupes cibles.
effet, ce type de moteur est très rependu pour entraîner les moulins et dans les
En
plateformes
multifonctionnelles largement diffusées en milieu rural.
Vlll.
Le
niveau ou l'état d'approbation des résultats obtenus
Le stade de la présente recherche ne nous permet pas encore d'aller vers une vulgarisation des résultats de
recherches. Par contres les résultats présentés ici concordent bien avec la théorie des moteurs thermiques à
combustion interne.
tx.
[e niveau ou l'état de vulgarisation des résultats
Cette étude sur l'huile brute de pourghère est encore au stade de recherche en laboratoire.
X.
Les
difficultés rencontrées
Les difficultés rencontrés ne sont pas spécifiques à l'utilisation de l'huile de pourghère, mais inhérentes
à
toute installation expérimentale dont le bon fonctionnement demande parfois quelques modifications.
Certes, des essais antérieurs sur un moteur diesel utilisant l'huile de pourghère, au laboratoire de thermique
appliquée, ont montré un encrassement prononcé au niveau des injecteurs et des chambres de combustion
du moteur. Ce phénomène est observé par d'autres auteurs [2]. A ce stade de la présente étude, nous
n'avons pas encore démonté le moteur PMLI GOLD afin d'apprécier sur lui l'influence de la combustion de
l'huile brute de pourghère.
Xl.
Les
solutions envisageables
Traiter l'huile avec de l'alcool éthylique afin de réduire les dépôts dus à l'encrassement.
Xll.
Les recommandations
En cas d'utilisation de l'huile brute de pourghère dans un moteur diesel de type pMLl GOLD, nous
recommandons son préchauffage car cela permet d'améliorer sa combustion.
Xlll.
Conclusion
Nous avons effectué des essais à vide sur deux moteurs diesel identiques PMLI GOLD. Les bancs ont été
installés au laboratoire de thermique appliquée de l'ENI-ABT grâce à l'appui de I'ANADEB.
Les essais ont consisté à faire fonctionner les deux moteurs simultanément en régime de vitesse constante
d'abord 950 tr/mn, puis en faisant varier la vitesse jusqu'à l'étouffement du moteur 1OO0 à 600 tr/mn. Une
autre série sur le moteur fonctionnant à l'huile de pourghère a été effectuée avec préchauffage de l'huile.
En régime constant, le moteur a l'huile de poughère a montré une consommation massique 32% de plus
qu'avec le gazole d'où une puissance de combustion plus élevée. Les températures des gaz d'échappement
sont plus élevées aussi avec l'huile de pourghère. En régime variable, ces sommations et températures
restent élevées avec l'huile de pourghère.
l1
Le préchauffage de l'huile avant sont admission dans le moteur a permis de réduire la consommation en
carburant de 7%.
Bibliographie
[1] Rapport 2008, I'OCDE/TAD
[2]: W.N. FoTSEU, S. S. SIDIBÉ, J. BLIN, P. GIRARD « Adaptation du moteur diesel Rhino à l'utilisation de l'huile
de jatropha comme carburant », Journées scientifiques de 2lE, awil.
[3]
:
Ministère des Mines, de l'Energie et de l'Eau, Lo Politique énergétique de lo République du Moli,
novembre 2005
t2