alimentation d’un moteur diesel au gaz de...

Promotion 2014

UNIVERSITE D’ANTANANARIVO

ECOLE SUPERIEURE POLYTECHNIQUE D’ANTANANARIVO

Mention Génie Mécanique et Industriel.

Parcours Génie Industriel.

« MEMOIRE DE FIN D’ETUDES EN VUE DE L’OBTENTION DU DIPLOME

D’INGENIEUR GRADE MASTER EN GENIE INDUSTRIEL»

Intitulé :

ALIMENTATION D’UN MOTEUR DIESEL AU

GAZ DE GAZOGENE

Présenté et soutenu par : RAOILISON Tahiry

Encadreur pédagogique : Monsieur RANDRIAMORASATA Josoa Albert, Professeur

Encadreur professionnel : Monsieur RANDRIAMORASATA ANDRIANOELY Andy Ravaka Date de soutenance : 09 Septembre 2015

Promotion 2014

UNIVERSITE D’ANTANANARIVO

ECOLE SUPERIEURE POLYTECHNIQUE D’ANTANANARIVO

Mention Génie Mécanique et Industriel.

Parcours Génie Industriel.

« MEMOIRE DE FIN D’ETUDES EN VUE DE L’OBTENTION DU DIPLOME

D’INGENIEUR GRADE MASTER EN GENIE INDUSTRIEL »

Intitulé :

ALIMENTATION D’UN MOTEUR DIESEL AU

GAZ DE GAZOGENE

:

Présenté et soutenu par RAOILISON Tahiry

President du jury : Monsieur RANARIJAONA Jean Désiré, Maîtres de conférences

Examinateurs : Monsieur RAMAHAROBANDRO Germain, Enseignant Chercheur

Monsieur JOELIHARITAHAKA Rabeatoandro, Enseignant Chercheur

Monsieur RANDRIANATOANDRO Grégoire, Enseignant Chercheur

Encadreur pédagogique : Monsieur RANDRIAMORASATA Josoa Albert, Professeur

Encadreur professionnel : Monsieur RANDRIAMORASATA ANDRIANOELY Andy Ravaka

REMERCIEMENTS

RAOILISON Tahiry i

REMERCIEMENTS

Merci à Dieu pour ce qu’Il m’a donné depuis.

Sans l’aide et la contribution de nombreuses personnes la réussite de ce mémoire n’est

pas telle, malgré leurs grandes responsabilités. Je leur exprime ici mes plus vifs et sincères

remerciements à :

Monsieur ANDRIANARY Philippe, Directeur de l’Ecole Supérieure Polytechnique

d’Antananarivo, qui m’a autorisé à présenter ce présent mémoire ;

Monsieur RAKOTOMANANA Charles Rodin Responsable de la Mention Génie

Mécanique et Industriel, les mots ne suffisent pas à exprimer notre reconnaissance. Vous êtes

pour nous, non seulement, ce responsable que l’on redoute parfois, mais aussi cet Aîné à qui

l’on s’adresse avec confiance. Puissiez encore entreprendre, l’œuvre de promotion de notre

filière.

Monsieur RANDRIAMORASATA Josoa Albert et Monsieur RANDRIAMORASATA

Andrianoely Andy Ravaka qui ont bien voulu m’encadrer pour ce travail. Merci encore pour

votre disponibilité et vos conseils méticuleux. Ce fût un grand honneur pour moi de travailler

avec vous ;

A tous les membres du Jury présidé par Monsieur RANARIJAONA Jean Désiré qui ont

accepté d’examiner ce travail malgré leurs nombreuses occupations ;

A tous le corps professoral de la Mention Génie Mécanique et Industriel pour leur

contribution à notre formation durant ces années d’études ;

A mes chers parents et à toute ma famille à qui je dédie ce travail car ils n’ont cessé de

me soutenir et de m’encourager tout au long du chemin ;

Egalement mes sincères remerciements à tous ceux qui, de près ou de loin, ont contribué

à la réalisation de ce présent mémoire.

SOMMAIRE

RAOILISON Tahiry ii

LISTE DES TABLEAUX Tableau 1 : Propriétés du gasoil ............................................................................................ 19

Tableau 2 : Fiche technique du moteur ................................................................................. 36

Tableau 3 : Tableau récapitulatif des résultats en mode gasoil ............................................. 41

Tableau 4 : Tableau récapitulatif en mode dual fuel ............................................................. 44

SOMMAIRE

RAOILISON Tahiry iii

LISTE DES FIGURES Les 5 zones du générateur à bois Imbert .............................................................. 9

Schéma de fonctionnement du gazogène Imbert ................................................ 15

Cycle de fonctionnement du moteur Diesel à 4 temps ....................................... 21

Cycle diesel ........................................................................................................ 22

Cycle théorique pour moteur diesel .................................................................. 22

Cycle mixte Diesel réel ...................................................................................... 24

Type de moteur à Injection direct ...................................................................... 25

Type de moteur à injection indirecte .................................................................. 25

Eléments constitutifs d’un turbomachine ........................................................... 32

Schéma conceptuel du ventilateur ...................................................................... 34

Schéma conceptuel de la bague de fixation........................................................ 35

Limite de richesse ............................................................................................... 38

Régime et puissance en mode gasoil .................................................................. 42

Puissance du moteur en fonction de l’ouverture de la vanne et de la crémaillère

du gasoil 46

Courbe récapitulatif ............................................................................................ 47

Mécanisme naturel de l’effet de serre ................................................................ 52

Cycle du dioxyde de carbone ............................................................................. 54

SOMMAIRE

RAOILISON Tahiry iv

LISTE DES PHOTOS Photo 1 : Portrait de Georges Imbert ....................................................................................... 8

Photo 2 : Gazogène ................................................................................................................ 30

Photo 3 : Système de gazéification de gaz ............................................................................ 31

Photo 4 : Dispositif d’aspiration et d’injection de gaz .......................................................... 34

Photo 5 : Combustible utilisé (charbon de bois) ................................................................... 35

SOMMAIRE

RAOILISON Tahiry v

LISTE DES ABREVIATIONS CGGI : Compagnie Générale des Gazogènes

CO2 : Dioxyde de carbone

H2 : dihydrogène

CH4 : Méthane

PCI : Pouvoir calorifique inférieur

σv : Pouvoir comburivore

kJ : kilojoules

MW : Megawatts

kW : Kilowatt

°C : degré Celsius

PMB : Point mort bas

PMH : Point mort haut

V : volute

D : Diffuseur

RM : Roue mobile

C : Convergent

tr/mn : tours par minute

Hz : Hertz

POSINJ : position en % de la crémaillère de la pompe d’injection

ANGV1 : ouverture en % de la vanne N°01

PGASOIL : puissance apportée par le combustible gasoil

PGAZOGENE : puissance apportée par le gazogène

PTOT : Puissance totale consommée par le résistor

SOMMAIRE

RAOILISON Tahiry vi

SOMMAIRE REMERCIEMENTS ................................................................................................................... i

Liste des tableaux ....................................................................................................................... ii

Liste des figures ........................................................................................................................ iii

Liste des photos ......................................................................................................................... iv

Liste des abréviations ................................................................................................................. v

Sommaire .................................................................................................................................. vi

Introduction ................................................................................................................................ 1

Partie 1 : ..................................................................................................................................... 4

Etudes bibliographiques et théoriques ........................................................................................ 4

Chapitre 1. La gazéification ................................................................................................ 5

1.1. - Historique de la gazéification ................................................................................ 5

1.2. Le gazogène ............................................................................................................. 9

1.3. Etude théorique sur la gazéification ....................................................................... 10

1.4. Les caractéristiques du gaz de gazogène................................................................ 10

1.4.1. Le pouvoir calorifique ............................................................................ 10

1.4.2. Le pouvoir comburivore ................................................................................ 11

1.5. Le rendement de la gazéification ........................................................................... 11

1.6. Les paramètres principaux de la gazéification ....................................................... 12

1.6.1. Facteurs internes ............................................................................................. 12

a. Humidité. ........................................................................................................ 12

b. Granulométrie. ................................................................................................ 12

1.6.2. Facteurs externes ............................................................................................ 12

a. Température. ................................................................................................... 12

b. Débit d’air ....................................................................................................... 12

1.7. Les appareillages principaux d’un gazogène ......................................................... 12

1.8. Les combustibles .................................................................................................... 13

1.8.1. Le bois ......................................................................................................... 13

1.8.2. Charbon de bois ........................................................................................ 14

1.9. La production d’électricité à partir du gaz de gazogène ........................................ 14

Chapitre 2. Le moteur Diesel ............................................................................................ 16

2.1. Généralités ............................................................................................................. 16

2.1.1. Définition ........................................................................................................ 16

2.1.2. Combustion dans le moteur Diesel ................................................................. 17

SOMMAIRE

RAOILISON Tahiry vii

a. Combustibles .................................................................................................. 17

b. Alimentation en air et carburant ..................................................................... 19

c. Combustion ..................................................................................................... 19

2.1.3. Cycle du moteur Diesel .................................................................................. 20

a. Cycle DIESEL ................................................................................................ 22

b. Cycle théorique pour moteur Diesel ............................................................... 22

c. Cycle mixte Diesel .......................................................................................... 23

2.1.4. Classification des moteurs Diesel ................................................................... 24

a. Moteur à injection directe (moteur à simple chambre de combustion ou

chambre de combustion ouverte) ............................................................................. 24

b. Moteur à injection indirecte (moteurs à chambre auxiliaire) ......................... 25

2.2. Avantages et inconvénients des moteurs diesel ..................................................... 26

2.3. Initiation au dual-fuel ............................................................................................. 26

Partie 2 : ................................................................................................................................... 27

Matériels et méthodes ............................................................................................................... 27

Synoptique du système ......................................................................................................... 28

Chapitre 3. Description du gazogène utilisé ...................................................................... 28

3.1. Identification du gazogène ..................................................................................... 28

3.1.1. Historique du gazogène d’essai ...................................................................... 28

3.1.2. Caractéristiques .............................................................................................. 29

3.2. Système de refroidissement et d’épuration ............................................................ 30

3.3. Conception d’un Compresseur électrique .............................................................. 31

3.3.1. Principe aspirateur axial ................................................................................. 31

a. Variations de la pression et de la vitesse du fluide dans un compresseur ..... 33

3.3.2. Réalisation du dispositif ................................................................................. 33

3.4. Combustibles utilisés ............................................................................................. 35

Chapitre 4. Description du moteur diesel utilisé ............................................................... 36

4.1. Fiche technique du moteur ..................................................................................... 36

4.2. Modifications réalisées sur le moteur diesel .......................................................... 36

4.3. Fonctionnement du moteur .................................................................................... 37

4.3.1. Description du fonctionnement dual-fuel ....................................................... 37

4.3.2. Limites de richesse et d’injectionpilote ......................................................... 37

4.3.3. Limites de taux de compression et de température ......................................... 38

Chapitre 5. Présentation des résultats ................................................................................ 40

Mise en marche et protocole expérimental....................................................................... 40

SOMMAIRE

RAOILISON Tahiry viii

5.1. Matériels et appareils de mesure ............................................................................ 40

5.2. Essai en mode gasoil uniquement .......................................................................... 40

5.2.1. Etapes .............................................................................................................. 40

5.2.2. Résultats obtenus en marche au gasoil uniquement ....................................... 41

5.3. Essai en mode dual fuel ......................................................................................... 42

5.3.1. Etapes .............................................................................................................. 42

5.3.2. Résultats obtenus en marche dual fuel ........................................................... 44

5.3.3. Synthèse en mode dual fuel ........................................................................... 47

Chapitre 6. Discussions et interprétation ........................................................................... 48

Partie 3 : ................................................................................................................................... 50

Regard environnemental .......................................................................................................... 50

a. Gaz à effet de serre ......................................................................................... 51

b. La couche d’ozone .......................................................................................... 52

Chapitre 7. La biomasse et l’environnement ..................................................................... 53

7.1. Potentialité en biomasse à Madagascar .................................................................. 53

7.2. Problèmes liés à l’environnement .......................................................................... 53

7.2.1. Le dioxyde de carbone .................................................................................... 53

7.2.2. Le monoxyde de carbone ................................................................................ 54

7.2.3. Autres pollutions ............................................................................................. 54

a. Les odeurs ....................................................................................................... 54

b. Les bruits ........................................................................................................ 55

c. Les vibrations : ............................................................................................... 55

7.3. Impacts sur l’Environnement humain et socio-culturel ......................................... 55

7.3.1. Impacts positifs ............................................................................................... 55

7.3.2. Impacts négatifs .............................................................................................. 56

7.4. Mesures prises pour la protection de la biodiversité .............................................. 56

Conclusion ................................................................................................................................ 57

REFERENCES BIBLIOGRAPHIQUES ................................................................................... a

WEBOGRAPHIE ....................................................................................................................... b

INTRODUCTION

RAOILISON Tahiry 1

INTRODUCTION

Madagascar est parmi les pays les plus pauvres au Monde. Un des facteurs pris en

compte de cette constatation est le faible niveau du taux d’électrification tant dans les milieux

urbains mais surtout ruraux. De plus il y des zones où l’accès reste un problème majeur : zones

enclavées avec des voies de communication très limitées.

L’électrification reste une source très onéreuse, avec la montée en flèche du prix du

pétrole ainsi que des coûts de maintenance des matériels de production d’électricité.

Cependant, des projets d’électrification se concrétisent afin promouvoir le

développement. Les chercheurs se consacrent à l’étude des énergies renouvelables comme

nouvelle source d’énergie en remplacement du carburant fossile dont les réserves s’épuisent

lentement.

Dans cette optique, il existe différents types de technologie de production en électricité

mais il faut tenir compte du potentiel énergétique du milieu à étudier.

Les plus connus sont :

- les centrales hydroélectriques : utilisant l’eau comme source d’énergie. Elles sont très

rentables du point de vue de la richesse en fleuve et rivières. Une centrale de ce genre centrale

permettra l’électrification d’un village ; et selon son envergure, toute une Région. Sa

principale critique se situe au niveau de l’importance du montant d’investissement dont la

majeure partie est consacrée pour financer les ouvrages de génie civil.

- les centrales solaires : Le soleil compte parmi les ressources inépuisables. On peut d’ores et

déjà identifier cette ressource comme chauffe-eau, la génération d’électricité dans le domaine

des télécommunications, l’éclairage, la conservation des médicaments. La baisse des prix

des générateurs rend cette technologie attractive pour les utilisateurs potentiels. De plus, il

existe de nombreux sites isolés où le solaire est la seule alternative.

INTRODUCTION

RAOILISON Tahiry 2

- les aérogénérateurs : l’utilisation du vent comme source d’énergie n’est pas très fiable dans

certains endroits. Il est important dans les zones Nord-est et Sud-est. Plusieurs essais

d’aérogénérateurs sont actuellement en cours. La mise en place de centrales hybrides est à

considérer dans les actions à venir.

Il existe néanmoins une autre source d’énergie, c’est la biomasse. Ce sont les

combustibles solides tels que les bois et ses dérivés, les déchets de scierie, les déchets

agricoles. Madagascar possède une grande potentialité à cette alternative.

Notre étude se basera davantage sur cette technologie et ainsi démontrer que l’utilisation

de la biomasse comme source d’énergie à adopter pour le futur. Il nous convient alors d’étudier

la production d’électricité à partir d’un groupe diesel alimenté au gaz de gazogène. On a

entrepris cette étude à cause de la potentialité de Madagascar à la production de biomasse, et

que cette technologie pourrait être l’apogée du développement rural.

Les études antérieures se sont basées sur l’utilisation d’un groupe essence où le gaz de

gazogène permet de remplacer totalement l’essence. Ce système a pour désavantage l’arrêt du

moteur lorsque le débit du gaz de gazogène atteint un niveau assez bas. Le redémarrage s’avère

difficile jusqu’à ce que le gaz redevienne riche.

Contrairement pour le groupe diesel, en dual-fuel, c’est-à-dire, qu’il marche

parallèlement avec du gasoil et du gaz de gazogène le débit et la qualité de gaz n’influe pas sur

la bonne marche du système.

Toutefois, l’amélioration de la qualité du gaz remet le système à pleine régime.

Ce travail comportera trois parties principales :

- La première partie sera focalisée sur la bibliographie et l’étude théorique tant du gazogène

que du moteur diesel ;

- La deuxième partie mettra en évidence les études effectuées sur le projet, les résultats des

essais et les interprétations ;

- La troisième partie parlera du volet environnemental du projet.

Cette étude permettrait à moyen et long terme de remplacer les groupes électrogènes

classiques dans les milieux ruraux si les conditions de respect environnemental le permettent

(soudure électrique, scierie, décortiquerie, électrification rurale …).

INTRODUCTION

RAOILISON Tahiry 3

L’exploitation de la biomasse à Madagascar trouverait un avenir certain pour le

développement par la création de nouveaux emplois comme la fabrication du système ainsi que

la production de la biomasse (reboisement contrôlé et systématique).

ETUDES BIBLIOGRAPHIQUES ET THEORIQUES

RAOILISON Tahiry 4

PARTIE 1 : ETUDES BIBLIOGRAPHIQUES ET THEORIQUES


RAOILISON Tahiry 5

Chapitre 1. La gazéification

1.1.- Historique de la gazéification

Voici, à partir du livre « Le gazogène à bois Imbert » de Jacques Wolff, un historique

décrivant les principales étapes de l’élaboration de ce système.

Première moitié du XIX e siècle : les tout premiers gazogènes

1801 : le français LEBON dépose un brevet pour un moteur fondé sur l'expansion d'un mélange

d'air et de gaz enflammé.

1810 : l'espagnol De RIVAZ dessine un véhicule avec moteur à gaz.

1839 : BISCHOF construit un générateur de gaz. Des applications industrielles sont réalisées

en France et en Angleterre. Dans un premier four, le coke est brûlé incomplètement, dans un

second, par réduction, on obtient du gaz combustible.

1856 : les frères SIEMENS inventent un gazéificateur. A Paris, des tramways sont actionnés au

gaz d'éclairage. Ce gaz, aussi appelé gaz de ville, est le plus ancien combustible

connu pour l'alimentation des moteurs à explosion.

Deuxième moitié du XIX e siècle : le moteur à explosion

1860 : Lenoir présente le premier moteur à gaz.

1862 : Beau de Rochas invente le cycle à 4 temps.

1886 : Daimler et Benz fabriquent la première voiture à 4 roues, avec moteur à 4 temps.

1893 : Diesel réalise un moteur fonctionnant à l'huile lourde.

Début du XX e siècle : des résultats concrets sur des véhicules à gaz

1900 : Riché parvient, par la gazéification de combustibles minéraux, à produire un gaz pauvre

pouvant véritablement alimenter un moteur à explosion.

1901 : Benz construit la voiture "Idéal" avec un moteur à gaz.

1904 : Gaillot et Brunet expérimentent une péniche dont le moteur est alimenté par un gazogène

et Cesbron en équipe une voiture "Alcyon".

1905 : John Smith parcourt les routes d'Écosse à bord d'un camion à gazogène.


RAOILISON Tahiry 6

1907 : Clérici dépose un projet de gazogène à deux générateurs se plaçant symétriquement de

part et d'autre du véhicule.

1909 : Deutz réussit à construire un gazéificateur combiné à un moteur développant 500 CV.

1910 : Cazès parcourt 10 km dans Paris au volant de son omnibus fonctionnant

avec un gazogène à charbon de bois.

Début du XX e siècle : la recherche commence mais le gazogène a du mal à percer

A partir de 1900 : l’automobile se développe rapidement et on craint de manquer de pétrole.

Des recherches sont alors entreprises pour créer des véhicules fonctionnant avec un carburant

produit sur le sol national. On songe à utiliser l'alcool dont la production est

excédentaire dans le Languedoc, l’alcool issu de la transformation du sucre, l'acétylène, la

naphtaline, le méthane ou l'éthylène. Le problème clé dans le développement des gazogènes

reste pour longtemps le stockage pour le transport des gaz.

1914-1918 : La guerre arrête les recherches.

1920 : Georges Imbert commence à élaborer le gazogène à bois, « l’œuvre de sa vie ».

1921 : 60 véhicules dotés d'un gazogène circulent en Angleterre, la France prend du retard dans

la recherche expérimentale et son application.

1922 : En conséquence, la France organise le premier concours de gazogènes « transportables

» ce qui lui permet de revenir à la pointe des techniques dans la construction des gazogènes, et

cela grâce en grande partie à Georges Imbert.

1930 : Imbert crée la Compagnie Générale des Gazogènes (C.G.G.I) et les camions gazogène

participent aux concours militaires, mais le gazogène à bois a du mal à percer en France.

1934 : le succès du gazogène en Allemagne permet à Imbert de continuer à développer sa

technique.

1939-1945 : l’apogée du gazogène avec la guerre et la pénurie de carburant

1935 : une grave récession frappe la France et le bois de chauffe ne trouve plus preneur. La

France est couverte à plus de 30 % de forêts comme la plupart des autres pays européens.

Entre 1935 et 1939 : 11 millions de stères de bois de feu restent invendus chaque année. On

aurait pu alimenter plus de 70 000 camions à gazogène avec ce surplus. Cela provoque le


RAOILISON Tahiry 7

chômage de plus de 50 000 forestiers français et la situation économique devient exécrable. La

recherche est stoppée sauf à la C.G.G.I.

1939 : la guerre commence mais on pense que les conflits seront de courte durée et que les

carburants constitueront une avance de consommation de plusieurs mois. Les gazogènes ne sont

préconisés qu’en cas de pénurie d’essence.

1941 : le conflit durant et pendant la période de l’occupation allemande le gazogène est

finalement utilisée pour pallier l’absence de carburant. Des affiches de promotion du bois

comme carburant et pour l'utilisation du gazogène sont réalisées.

1942 : en France, comme partout en Europe, le prix de l’essence augmente et tout le monde ne

peut pas s’approvisionner puisque les carburants sont rationnés. Le bois est le

seul carburant disponible pour tous sans ticket. Le gazogène représente une économie non

négligeable en cette période de récession.

1944 : reconnaissance par tous les constructeurs européens du travail de Georges

Imbert, surnommé le « pape du gazogène ». L'Allemagne utilise le gazogène à

bois dans toutes les opérations militaires de la fin du conflit, aussi bien sur des chars, des

automitrailleuses que sur des camions de transport de munitions.

A la fin de 1944 en France, il ne reste plus que 100 000 véhicules dont près de 90 000 dotés de

gazogènes.

Après la guerre : l'abandon du gazogène

1950 : Georges Imbert meurt désintéressé de tout. En effet, son fils est mort en 1944 sur le front

russe et il s’est senti terriblement responsable de cette perte depuis puisqu’il a

contribué au développement des machines de guerre.

Cette date marque le début du déclin de son invention car le pétrole redevient abondant. Certains

utilisateurs possèdent des véhicules mixtes pouvant rouler à l’essence et au gazogène à bois. La

fin de l’utilisation des tickets de rationnement et la découverte de vastes champs pétrolifères en

Orient marque la fin des gazogènes en Europe. La plupart des véhicules sont débarrassés de la

partie gazogène (surnommée « cuisine ambulante ») et un simple réglage permet de

recommencer à fonctionner exclusivement à l’essence.


RAOILISON Tahiry 8

Même la crise de Suez de 1956 n’est qu’une « alerte sans prise de conscience véritable.

C’est la période de l’embargo et du choc pétrolier des années 70 qui permettra à la question du

rationnement et des énergies renouvelables de revenir au gout du jour.

On utilise maintenant principalement des gazogènes stationnaires, dénommés

désormais "gazeïfieurs à bois". Au début, beaucoup utilisent alors des gaz provenant de la

biomasse, c’est-à-dire de la décomposition d’excrément animaux ou végétaux. Mais

de nos jours, on utilise indifféremment des déchets de bois (résidus de scieries et

de menuiseries, chutes, sciures, écorces...), ou des produits végétaux (parche de café, coques

de coco, d’arachides…). En utilisant ceci, le rendement global est alors intéressant en

cogénération. En effet, l'épuisement des énergies fossiles et les problèmes

environnementaux liés à leur combustion semblent promettre aux gazéifieurs à bel avenir

à terme en cogénération chaleur et électricité.

Photo 1 : Portrait de Georges Imbert


RAOILISON Tahiry 9

1.2. Le gazogène

Le gazogène, réalisé en fonction du type de combustible adopté, utilise l'air ambiant

comme principal agent gazéifiant. Il comprend en général :

- du corps du gazogène qui englobe lui-même le système d'admission d'air, le foyer

proprement dit et le cendrier.

- de la trémie qui est destinée à recevoir la réserve de combustible et à en assurer l'arrivée

régulière au foyer.

Le préchauffage de l'agent gazéifiant avant son injection dans le gazogène permet

d'obtenir une température de foyer élevée. Ce chauffage préliminaire peut se faire par

récupération de la chaleur sensible du gaz produit

Les 5 zones du générateur à bois Imbert


RAOILISON Tahiry 10

1.3. Etude théorique sur la gazéification

La gazéification des combustibles solides s'effectue en faisant agir sur le carbone

incandescent un agent gazéifiant qui peut être soit de l'oxygène, soit de l'air, soit de la vapeur

d'eau ou aussi un mélange de ces trois agents.

Les réactions générales de gazéification sont les suivantes :

C + 0, 5 02 CO + 121400 kJ

C + H2O CO + H2 – 120400kJ

C + 22O CO2 + 2 H2 – 79200kJ

C + 2H2 CH4 + 85800 kJ

Gaz à l’air

On a la réaction ci-dessous obtenue par la production du gaz à l’air.

C + 0,5 0 2 + 1,88 N 2 C0 + 1,88 N 2

Dans un gazogène, l'air atmosphérique rencontre le carbone porté et maintenu à

l'incandescence par l'exothermisme de la réaction et forme CO2 qui réagit avec le carbone

suivant l'équilibre de B0UD0UARD :

C0 2 + C 2 CO

Le bilan énergétique, combiné aux relations décrivant l'équilibre chimique considéré,

montre que la réaction du gaz à l'air sec conduit à une température adiabatique du foyer de

l'ordre de 1400°C et à la formation quasi-exclusive de CO.

1.4. Les caractéristiques du gaz de gazogène

1.4.1. Le pouvoir calorifique

La qualité du gaz obtenu peut être mise en évidence par son pouvoir calorifique inférieur

PCI. En ne retenant comme seuls constituants utiles : l’hydrogène, le monoxyde carbone et le

méthane.

PCI = 10775 [H 2] + 12600 [C0] + 35800 [CH 4]


RAOILISON Tahiry 11

1.4.2. Le pouvoir comburivore

Le pouvoir comburivore exprime la quantité d'air comburant nécessaire et suffisante

pour assurer la combustion complète de l'unité de quantité de combustible.

Les réactions de la combustion complète du gaz pauvre étant données ci- dessous :

H2 + 0,5 0 2 H2O

C0 + 0,5 0 2 CO2

CH 4 + 2 0 2 CO2 + 2 H2O

Le pouvoir comburivore exprimé en m3 d'air par m3 de gaz est donné par la relation :

σv = 4,76 (0,5 [H 2 ] + 0,5 [CO] + 2 [ CH 4 ] )

Ainsi pour un gaz pauvre de pouvoir calorifique PCI, l’apport énergétique rapporté au

m3 de mélange stœchiométrique est exprimé par le rapport

𝑃𝐶𝐼

1 + 𝜎𝑣

PCI : pouvoir calorifique inférieur

𝜎𝑣 : pouvoir comburivore

1.5. Le rendement de la gazéification

Le rendement de gazéification peut être exprimé à partir du bilan de matière du

gazogène et des pouvoirs calorifiques des constituants, de la manière suivante :

𝜂𝑔𝑎𝑧 =[H2] 241800 + [CO] 283000 + [CH4] 802200

( [C0] + [C02] + [CH4] ) 404400

Les valeurs numériques sont les pouvoirs calorifiques exprimés en kJ/kmole

respectivement pour l'hydrogène, le monoxyde de carbone, le méthane et le carbone.

Si l'on considère par exemple, la gazéification du carbone pur à l'air sec, on obtiendra à

l'équilibre le gaz idéal de composition suivante :

[CO] = 0,347 , [C0 2] = 0 , [N 2] = 0,653

Avec un rendement de 70 %.


RAOILISON Tahiry 12

Le procédé autothermique idéal fournirait quant à lui un gaz de composition :

[CO] = 0,399 , [H 2] = 0,169 , [C0 2] = 0 , [N2] = 0,432

Avec un rendement de 95 %.

1.6. Les paramètres principaux de la gazéification

On peut classer les facteurs influençant la réaction de gazéification en deux : les facteurs

internes et les facteurs externes

1.6.1. Facteurs internes

a. Humidité.

Avec un combustible à forte proportion en eau, la réaction de gazéification est rendu

difficile, le gaz ainsi obtenu sera très humide et le démarrage du foyer du gazogène peut

être même impossible. On recommande d’utiliser du combustible solide dont le taux

d’humidité est inférieur à 20 %.

b. Granulométrie.

On préconise d’utiliser des combustibles de taille moyenne. La granulométrie du

combustible reste un facteur très important. Trop gros, il forme des voûtes. Trop petit, il

se tasse et étouffe le foyer.

1.6.2. Facteurs externes

a. Température.

Le foyer, l’endroit où se déroule la réaction de gazéification a une influence positive

sur le pouvoir calorifique inférieur (PCI) du gaz obtenu : plus la température est élevée,

plus le pouvoir calorifique du gaz s’améliore car la teneur en CO et en H2 augmente.

b. Débit d’air

Le niveau d’air introduit par rapport aux conditions stœchiométriques a une

influence sur la concentration en CO et en H du gaz obtenu. Plus-la vitesse de l’air est élevée,

plus les concentrations en CO et en H sont importantes.

1.7. Les appareillages principaux d’un gazogène

Le gaz doit être complètement débarrassé des poussières qu'il entraîne avant l'admission

dans le moteur. Ces impuretés peuvent user rapidement sur les organes mécaniques du moteur.


RAOILISON Tahiry 13

De plus, la température du gaz très élevée, ce qui nous incite à le refroidir et l’épurer avant de

l'utiliser dans un moteur. Le refroidissement permet en outre d'éviter la détérioration des

éléments des épurateurs ainsi que les risques d'inflammation spontanée lors du mélange du gaz

avec l'air frais de combustion. L'installation de notre essai comprendra comme premier élément

de filtration un cyclone chaud. Ensuite vient un refroidisseur, et l'épurateur.

1.8. Les combustibles

1.8.1. Le bois

N'importe quelle essence de bois convient et il faut, néanmoins, réduire à néant

la légende des bois spéciaux. Toutes les espèces peuvent être employées, les bois durs :

chêne, hêtre, orme, frêne et divers arbres fruitiers; les bois tendres et aussi les bois

résineux : pin, sapin, mélèze, malgré leur teneur en résine. Il est donc prouvé que toutes

les espèces de bois sont aptes à fournir le gaz des forêts, mais il ne faut pas en

déduire que toutes possèdent cette qualité au même degré. De même qu'il existe des

bois de chauffage meilleurs les uns que les autres, il existe également des bois ou

charbons de bois plus ou moins bons carburants et, dans cet ordre d'idées, les bois durs

sont les meilleurs. Il existe toutefois deux conditions essentielles sur lesquelles on

devrait d'insister tout particulièrement.

- Premièrement, le bois utilisé doit être sec. C'est là une condition essentielle

de bon fonctionnement. Par bois sec, il faut entendre un bois ne renfermant pas

plus de 15 à 20 % d'eau. Le bois vert contient jusqu'à 50 % d'eau et l'amener

un degré de 15 à 20 % équivaut à un séchage à l'air de quelques mois, dans

un lieu couvert et très aéré. Ce séchage peut être accéléré en réduisant à

l'avance ce bois en morceaux de dimensions convenables. L'emploi d'un bois

renfermant une trop grande quantité d'eau, peut présenter certains inconvénients.

Si la décomposition de l'eau, dans une certaine limite, est favorable pour la

production d'hydrogène, qui est un gaz riche, par contre la décomposition de

cette eau en trop grande quantité devient nuisible, l'oxygène dégagé ne pouvant

plus être entièrement réduit par le carbone du foyer. Cet excès d'oxygène produit,

au contact du charbon au rouge, de l'acide carbonique, gaz inerte et inutilisable

dans le moteur.


RAOILISON Tahiry 14

- La deuxième condition à exiger est que le bois soit réduit en morceaux dont

les dimensions se rapprochent sensiblement de celles d'un cube de 4 à 5 centimètres

de côté. Il n'est pas question d'avoir des cubes réguliers, bien au contraire, mais

des morceaux de formes variées et quelconques : bouts de rondins, éclats de

bois, chutes de parquets, déchets pêle-mêle, pourvu que leur plus grande

dimension n'excède pas 8 centimètres. Les brins de charbonnette sectionnés à

cette dimension constituent également un excellent carburant.

Ces deux conditions : siccité et dimensions des morceaux sont les seules

indispensables.

1.8.2. Charbon de bois

L'autre carburant est le charbon de bois, mais comme pour le bois il existe

des charbons de bois de bien meilleure qualité les uns que les autres. Il doit être cassé

en morceaux très courts, dont les dimensions recommandées varient avec chaque

type d'appareil. Il doit être exempt de poussier pour éviter les tassements et

encrassements du foyer du gazogène. Le charbon de bois doit également être très sec et

ne pas contenir plus de 6 à 8 % d'eau car, outre les ennuis de mauvais rendement, de

ratés d'allumage, il se produit généralement un colmatage des filtres entraînant l'arrêt

total du moteur.

1.9. La production d’électricité à partir du gaz de gazogène

Par la production d’électricité, il existe deux façons d’en tirer avantage du gaz de

gazogène. Soit en brûlant le gaz dans une chaudière. Cette dernière alimente à son tour une

turbine à vapeur produisant de l’électricité. Cette technologie est limitée et utilisée

principalement dans les installations de grandes puissances (supérieur à 1 MW). Le

rendement électrique de l’installation comprenant une chaudière à vapeur est estimée à 15%.On

peut aussi utiliser ce gaz directement dans un moteur à combustion couplé à un générateur

d’électricité. Ce mode est utilisé pour les petites installations électriques de 10 à 500 kW. Le

rendement électrique de ce type d’installation s’élève à 25 %.


RAOILISON Tahiry 15

Schéma de fonctionnement du gazogène Imbert


RAOILISON Tahiry 16

Chapitre 2. Le moteur Diesel

Les types d’entrainement les plus couramment employés dans les véhicules sont les

moteurs à combustion interne. Ils développent leur puissance en convertissant en chaleur,

l’énergie chimique contenue dans le carburant, puis en transformant cette chaleur en travail

mécanique. La conversion de l’énergie chimique en chaleur s’effectue par combustion et

transformation de l’énergie calorifique en travail mécanique par l’action de celle-ci sur un fluide

moteur dont la pression augmente tout d’abord et dont la détente successive produit un travail.

Les fluides moteurs envisageables sont des liquides qui, par vaporisation, accroissent la

pression de travail ou les gaz dont la pression de travail peut être augmentée par compression.

La combustion des carburants, généralement composés d’hydrocarbures, requiert de l’oxygène

normalement introduit avec l’air d’admission. Si la combustion s’effectue dans la chambre de

travail, il s’agit d’une combustion interne. Dans ce cas, les gaz de combustion servent

directement le fluide moteur.

Une production continue de travail mécanique ne peut s’obtenir que par un processus

cyclique (moteur à piston) ou par un processus continu d’absorption de chaleur, de détente

(production de travail) et de retour du fluide moteur à son état initial (cycle de fonctionnement).

2.1. Généralités

Le moteur Diesel est constitué de pistons coulissants dans des cylindres, fermés par une

culasse reliant les cylindres aux collecteurs d'admission et d'échappement et munie de soupapes

commandées par un arbre à cames. De plus, il s’accompagne toujours avec des éléments

nécessaires pour leur bon fonctionnement. Pour permettre le démarrage du moteur à froid, des

bougies de préchauffage sont souvent utilisées, en augmentant la température de la chambre de

combustion, mais leur présence n'est pas systématique.

2.1.1. Définition

Conçu par Rudolf Christian Karl Diesel (1858-1913) au début des années 1900, le

moteur diesel est un moteur à combustion interne dont l’allumage n’est pas commandé mais

spontané par phénomène d’autoallumage (auto-inflammation). Pendant le temps de

compression, l’air est comprimé à une pression comprise entre 30 et 55 bar (moteurs

atmosphériques) ou entre 80 et 110 bar (moteurs suralimentés par compresseur) et s’échauffe

simultanément à une température comprise entre 600 et 900°C. Cette température suffit pour


RAOILISON Tahiry 17

provoquer l’auto-inflammation du carburant injecté peu avant la fin de la compression au

voisinage du point mort haut du piston

2.1.2. Combustion dans le moteur Diesel

a. Combustibles

Les moteurs Diesel peuvent utiliser tous les combustibles qu’il est possible d’injecter

dans les cylindres : huiles de goudron, huiles végétales, huiles animales, fuel-oil et gasoil.

Actuellement, l’utilisation du gasoil reste le plus fréquemment utilisée en notant ses

différentes propriétés :


RAOILISON Tahiry 18

Propriétés du GASOIL

Caractéristiques Unités Qualité requise

Min Max

Formule chimique : C7 H16

PCI massique

PCI volumique

kJ/kg

kJ/dm3

42 500

36 000

Masse volumique à 15°C kg/m3 820 845

Température d’évaporation °C 180 370

Température d’auto-inflammation °C 250

Densité à 25 °C g/cm3 0,84 0,92

Stabilité à l’oxydation g/m3 - 25

Indice de cétane « mesuré » - 51,0

Indice de cétane « calculé » - 46,0 -

Pouvoir lubrifiant, diamètre de marque d’usure corrigée à

60°C

µm - 460

Viscosité à 40°C mm2/s 2,00 4,50

Corrosivité, essai à la lame de

cuivre, (3h à 50°C)

Classe classe1

Point d’éclair °C > 55

(90)

-

Teneur en soufre

Diesel

Diesel -50S

%

mg/kg

-

-

1,0-1,2

350

50

Teneur en Hydrocarbure de type :

- Aromatiques Polycycliques

% (m/m) - 11

Teneur en cendres % (m/m) - 0,01

Teneur en eau mg/kg - 200

Teneur en phosphate mg/kg

Contamination totale mg/kg - 24


RAOILISON Tahiry 19

Distillation

- % (v/v) condensé à 250 °C

- % (v/v) condensé à 350 °C

% (v/v)

% (v/v)

-

85

< 65

-

Résidu de carbone (sur le résidu 10% de distillation) % (m/m) - 0,30

Pression vapeur à 100 °C

à 40 °C

HPa 100

10

Tableau 1 : Propriétés du gasoil

b. Alimentation en air et carburant

Le mélange dans la chambre de combustion est formé essentiellement de l’air

(comburant), et du carburant (combustible).

c. Combustion

La combustion est une réaction chimique accompagnée d’un dégagement de chaleur dit

exothermique. Cette réaction peut avoir lieu avec un corps quelconque en présence de l’oxygène

et, une fois amorcée, elle doit s’entretenir d’elle-même.

Pour obtenir une combustion, il faut un combustible et de l’oxygène ou un autre corps

contenant ce dernier et que la réaction entre ces deux éléments soit accompagnée d’un

dégagement de chaleur.

Bien que le gasoil soit un mélange complexe d’hydrocarbures, nous adopterons la

formule C7H16.

La combustion du gasoil, dans le dioxygène donne du dioxyde de carbone et de l'eau.

L'air est composé, en moles, de 20% de dioxygène et de 80 % d’azote.

C7H16 + 11(O2 + 4N2) => 7CO2 + 8H2O + 44N2

Gasoil air dioxyde eau azote

de carbone


RAOILISON Tahiry 20

2.1.3. Cycle du moteur Diesel

Dans le cadre de notre étude, nous utilisons un moteur diesel à quatre temps, à savoir

qu’un cycle moteur (correspondant à une rotation de 2 x 360°) comporte les quatre phases

suivantes :

ADMISSION :

- Le piston descend et la soupape s’ouvre.

- L’air frais s’engouffre dans le cylindre.

COMPRESSION :

- La soupape d’admission se ferme et le pison remonte.

- L’air est comprimé et s’échauffe fortement.

- Lorsque le piston atteint les 9/10ème de sa course environ,

une quantité définie de carburant est injectée.

DETENTE

- Les soupapes sont fermées.

- Le mélange d’air et de carburant contenu dans le cylindre

est sous pression

- La température est suffisamment élevée pour que ce

mélange brûle en créant une surpression qui pousse le piston

vers le bas.


RAOILISON Tahiry 21

ECHAPPEMENT :

- La soupape d’échappement s’ouvre.

- Le piston remonte chassant les gaz brûlés vers la sortie

d’échappement.

Cycle de fonctionnement du moteur Diesel à 4 temps


RAOILISON Tahiry 22

a. Cycle DIESEL

Autrement appelé, cycle à pression constante. Dans ce cas le remplissage du cylindre

s’effectue atmosphérique.

Dans ce type de moteur, on injecte par un moyen mécanique un carburant lourd dans

de l'air fortement comprimé et porté à haute température. A cause de cette compression, il y a

allumage spontané du mélange.

-

Cycle diesel

1-2 : Compression Adiabatique

2-3 : Combustion Isochore

3-4 : Détente adiabatique

4-1 : Détente Isochore

b. Cycle théorique pour moteur Diesel

-

-

Cycle théorique pour moteur diesel

PMH PMB


RAOILISON Tahiry 23

1er temps : ADMISSION (0-1)

- Le piston descend

- Ouverture de la soupape d’admission en vue de remplir le cylindre par l’air

- La soupape d’admission se ferme

2ème temps : COMPRESSION (1-2)

- Fermeture des soupapes

- Le piston monte, alors que la pression s’élève de même que la température (environ

600°C), pour permettre l’auto-inflammation.

- Lorsque le piston atteint les 9/10ème de sa course environ, une quantité définie de

carburant est injectée.

3ème temps : COMBUSTION–DETENTE (2-3-4)

- Le mélange d’air et de carburant contenu dans le cylindre est sous pression

- Dès que la température est suffisamment élevée pour que ce mélange brûle en créant

une surpression qui pousse le piston vers le bas, c’est le « temps moteur ».

4ème temps : ECHAPPEMENT (4-1-0)

- Ouverture de la soupape d’échappement

- Chute brusque de la pression

- Montée du piston pour chasser les gaz brûlés dans le cylindre

- Fermeture de la soupape d’échappement.

c. Cycle mixte Diesel

Appelé aussi, cycle de SABATHE, dans lequel la combustion a été effectuée à volume

constant puis à pression constante. Ce cycle est employé principalement sur les diesels

modernes à grande vitesse de rotation ou plus particulièrement au moteur diesel rapide (1500 à

5400 tr/min).

C'est une combinaison des deux cycles classiques dans lesquels une partie du

combustible brûle à volume constant et l'autre partie à pression constante.

Le cycle mixte se rapproche plus ou moins de l'un des deux cycles classiques selon les

réglages qui déterminent l'injection. Le cycle à volume constant donne un rendement meilleur


RAOILISON Tahiry 24

et le cycle à pression constante permet la construction de moteurs plus légers puisque la pression

maximale est plus faible.

-

Cycle mixte Diesel réel

2.1.4. Classification des moteurs Diesel

On peut classifier les moteurs Diesel suivant les modes d’injection:

a. Moteur à injection directe (moteur à simple chambre de combustion ou chambre de

combustion ouverte)

On parle de moteurs à injection directe quand le carburant est directement injecté

dans la chambre de combustion. Notons qu’ils ne sont pas équipés de bougies de

préchauffage et la pression d'injection est plus élevée : de 200 à 1000 bars pour les

moteurs nouvelle génération (CDI, Common rail, injecteurs pompes…). Ils sont caractérisés

par une température de fonctionnement moins élevée (par rapport aux injections indirectes).


RAOILISON Tahiry 25

Type de moteur à Injection direct

b. Moteur à injection indirecte (moteurs à chambre auxiliaire)

Les moteurs Diesel à injection indirecte se caractérisent par la présence de bougies

de préchauffage (donc d’un préchauffage à froid) et d’une chambre de précombustion où

le mélange air/carburant a lieu. Ces moteurs fonctionnent à des températures élevées.

Type de moteur à injection indirecte


RAOILISON Tahiry 26

Pour ces moteurs Diesel à injection indirecte, la forme des chambres de combustion doit

permettre d’obtenir un brassage du combustible aussi bon, une vaporisation aussi poussée et

une combustion complète. Alors, on peut distinguer en 4 formes de chambres de combustion :

- Moteur à chambre de combustion

- Moteur à chambre d’air

- Moteur à antichambre

- Moteur à chambre de turbulence

2.2.Avantages et inconvénients des moteurs diesel

Les inconvénients des premiers moteurs diesels qui avaient tendance à être plus lourds,

plus bruyants et moins puissants n’existent plus sur les véhicules modernes grâce, en particulier

au compresseur à géométrie variable et la rampe d’injection commune. Néanmoins, certains

problèmes subsistent, notamment l’émission de particules polluantes et de dioxydes d’azote.

Par conséquent, il est difficile de diminuer les dioxydes d’azote sans diminuer le rendement du

moteur, or ce dernier détermine directement l’émission de gaz carbonique responsable de l’effet

de serre

Par rapport à celui du moteur à essence, les raisons de succès du moteur diesel dans

l’automobile tiennent essentiellement à son rendement supérieur et au fait qu’il consomme

moins de carburant. Ce rendement peut encore être amélioré par l’utilisation comme système

hybride du gaz de gazogène comme carburant. On essayera de prouver cette amélioration lors

de cette étude.

2.3.Initiation au dual-fuel

Le principe consiste à faire marcher le moteur diesel par l’intermédiaire de deux

carburants distincts : le gasoil et le gaz de gazogène. L’injection du gasoil a pour but d’initier

la combustion dans la chambre. Vient ensuite introduction du mélange gazeux dans l’admission

par le biais d’un compresseur.

MATERIELS ET METHODES

RAOILISON Tahiry 27

PARTIE 2 :

MATERIELS ET

METHODES


RAOILISON Tahiry 28

Gazogène

Synoptique du système

Chapitre 3. Description du gazogène utilisé

3.1.Identification du gazogène

3.1.1. Historique du gazogène d’essai

Le gazogène utilisé pour cette étude est celui conçu et mis en œuvre par la société

Articom dans le cadre de l’étude approfondie de Mr Randriamorasata Ravaka. Cette étude avait

pour objet de concevoir, de dimensionner, de réaliser et de mettre en œuvre une plateforme de

production d’électricité à partir d’un groupe électrogène alimenté au gaz de gazogène. Cette

étude préliminaire, témoignant un rendement intéressant, des essais pratiques concluants et une

étude économique avantageuse a ouvert d’autres problématiques que sont d’optimiser chaque

maillon du système, en vue de la vulgarisation effective de la technologie de gazéification.

Depuis la présentation des résultats de cette recherche, les activités suivantes ont été

effectuées sur le gazogène en question:

2012 : étude de l’épuration du gaz de gazogène en utilisant des matériaux conventionnels

(technologie d’adsorption)

2012 : essais prolongés du gazogène en utilisant des copeaux de pin, des copeaux de bois dur

2013 : modification du système d’épuration, et essai des pouvoirs de filtration des charbons de

bois et des charbons actifs

2013 : conception de gazogène « Tar free » limitant la production de goudron et améliorant la

qualité et le rendement de gazéification

Refroidisseurs

et filtre Compresseur

Moteur

Diesel

Utilisation


RAOILISON Tahiry 29

2013 : essai du gazogène en mode multi étagé (séchage, pyrolyse, combustion, et réduction

séparées dans des lits différents)

2013 : recherche des conditions optimales en vue de l’automatisation de la conduite de

gazogène

2014 : amélioration du système d’épuration et de refroidissement par ajout de cyclone, de

radiateur de gaz, et de chambre de détente des gaz

2014 ; optimisation des combustibles de bois pour la conduite des gazogènes (essence du bois,

dimensions, taux d’humidité)

2015 : essai d’un pyrolyseur sécheur de combustible à bois pour les gazogènes

2015 : utilisation du gazogène avec un moteur thermique essence, couplé à un alternateur

2015 : essai prolongé du comportement dynamique du système gazogène moteur alternateur

2015 : modification de la géométrie et des tuyères du foyer pour la conduite du gazogène au

charbon de bois

2015 : régulation numérique du régime d’un moteur thermique alimenté au gazogène

2015 : conception d’un compresseur pour l’utilisation en dual fuel d’un moteur diesel alimenté

au gazogène (présente étude)

3.1.2. Caractéristiques

Le gazogène utilisé pour l’élaboration de ce travail est du type Imbert. Le tirage du

gaz se fait par le bas. Le gaz et l'air circulent dans le même sens que le combustible, les gaz

traversent la zone incandescente, les éventuels goudrons sont donc craqués. Ce dispositif

limitera ainsi les poussières à la sortie.

Ce type de gazogène conçu après quelques modifications convient très bien au charbon

de bois comme combustible.


RAOILISON Tahiry 30

Photo 2 : Gazogène

3.2.Système de refroidissement et d’épuration

A la sortie du générateur, le mélange gazeux est débarrassé de sa vapeur d'eau et d'une

partie de ses poussières dans le système réfrigérant.

Les gaz circulent dans un échangeur à air relié à un bac de condensation qui récupère

l'eau condensée dans le mélange. De plus, les poussières et les petites particules de bois se

déposent dans l'eau. Le mélange de gaz passe ensuite à travers deux filtres à charbon qui piègent

les particules restantes.

A la fin du circuit et avant admission dans le système de carburation, la température des

gaz est de 50°C. Le mélange gazeux passe ensuite dans les conduits menant au carburateur,


RAOILISON Tahiry 31

avant d'y être « injecté », il subit une augmentation de pression dans le compresseur. Le mélange

gazogène-air passe dans le carburateur et suit le cycle du moteur thermique à quatre temps.

Photo 3 : Système de gazéification de gaz

3.3. Conception d’un Compresseur électrique

3.3.1. Principe aspirateur axial

Le fluide technique que nous considérons sera toujours du type compressible, soit un

gaz idéal, soit un fluide réel condensable. En conséquence, les phénomènes sont régis par les

lois fondamentales des écoulements compressibles en régime permanent. D'une manière

générale, une turbomachine est constituée de quatre éléments en série


RAOILISON Tahiry 32

Eléments constitutifs d’un turbomachine

• un convergent C d'entrée, ou distributeur, pièce fixe qui a pour fonction d'orienter

correctement les filets fluides à leur entrée dans la roue mobile, et de les accélérer légèrement;

• la roue mobile RM, ou rotor, animée d'un mouvement de rotation autour d'un arbre. Cette

roue comporte des aubages délimitant des canaux, entre lesquels se répartit le débit de fluide.

Elle communique au fluide l'énergie mécanique des aubages, sous forme d'énergie cinétique,

thermique et de pression ;

• le diffuseur D est un organe fixe qui a pour fonction de transformer en pression une partie de

l'énergie cinétique acquise par le fluide lors de la traversée de la roue. Selon les cas, ce diffuseur

peut comporter ou non des aubages. On dit qu'il est cloisonné ou lisse ;

• une volute V, fixe elle aussi, redresse les filets fluides sur la périphérie de la roue, et les dirige

vers l'aval de la turbomachine.

Dans un compresseur, le guidage en amont de la roue joue un rôle secondaire par

rapport à la récupération de l'énergie cinétique en sortie. On peut donc éventuellement se

passer du distributeur amont.


RAOILISON Tahiry 33

a. Variations de la pression et de la vitesse du fluide dans un compresseur

Dans un compresseur, l'évolution du fluide est une augmentation de la pression,

ce qui, pour un régime subsonique, nécessite que la section de la veine aille en croissant,

tandis que la vitesse décroît. L'évolution se fait en deux temps : dans la roue mobile, la vitesse

relative baisse fortement, tandis que la vitesse absolue croît. Le stator (diffuseur) fait ensuite

diminuer la vitesse absolue.

3.3.2. Réalisation du dispositif

Ce dispositif a été conçu principalement pour l’utilisation du gazogène dans un moteur

Diesel. Il tiendra ainsi deux rôles primordiaux :

- aspirateur de départ du gazogène, indispensable pour la mise en marche du foyer

- Injecteur du gaz mélangé avec de l’air atmosphérique directement dans l’entrée d’air du

moteur

Le dispositif est un ventilateur centrifuge, actionné par un moteur électrique alimenté

par un courant alternatif 220V. Le rotor a été réalisé de telle manière qu’il produise un débit

et une pression suffisants pour la mise en marche du foyer. Il est composé d’une flasque

en tôle et de pâles rectilignes qui sont au nombre de huit (8). Il est monté en bout d’arbre

du moteur électrique. Ce moteur tourne environ à 2800 tours/minute. Le corps du

ventilateur a une forme de volute. Sur une de ses parois transversales est aménagé un

trou central à travers lequel est réalisée l’aspiration du gaz

Le compresseur comprendra deux volutes d’aspiration, une pour le gaz et une autre pour

l’air atmosphérique se situant tous deux sur le même axe de rotation. Cette disposition permet

d’équilibrer le débit de gaz par rapport au débit de l’air à injecter dans le moteur pour avoir la

qualité optimum au bien fonctionnement du moteur diesel (condition stœchiométrique).


RAOILISON Tahiry 34

Photo 4 : Dispositif d’aspiration et d’injection de gaz

Pour l’élaboration de ce dispositif, on a conçu un système de ventilateur composé d’une

flasque sur laquelle sont accrochées des ailettes droites comme nous montre le schéma suivant :

Schéma conceptuel du ventilateur

Une bague a été confectionnée pour le centrage de la flasque


RAOILISON Tahiry 35

Schéma conceptuel de la bague de fixation

3.4. Combustibles utilisés

Par rapports aux modifications apportées au gazogène, on utilisera en exclusivité du

charbon de bois. Il sera donc plus facile d’obtenir et de s’en approvisionner de nouveau. Il faut

toutefois, des dimensions quasi-égales pour permettre au foyer d’être approvisionné en

permanence. Notons aussi que le charbon de bois possède une humidité relativement basse

(environ 7 %) ce qui nous facilitera l’obtention du gaz riche en monoxyde de carbone et exempt

de goudron.

Photo 5 : Combustible utilisé (charbon de bois)


RAOILISON Tahiry 36

Chapitre 4. Description du moteur diesel utilisé

4.1. Fiche technique du moteur

Modèle SHR 175N-180N

Carburant Gasoil

Cylindre [mm] 75

Course [mm] 80

Taux de compression 22 :1

Puissance [kW/tr/mn] 6kW à 1450 tr/min

Consommation [g/kWh] 289.7

Couple [Nm] 21.2

Vitesse [tr/mn] 900

Démarrage Par le biais d’une manivelle

Système de refroidissement Refroidissement à eau

Poids net [kg] 60

Dimensions [mm] 620 x 340 x505

Tableau 2 : Fiche technique du moteur

4.2. Modifications réalisées sur le moteur diesel

Pour faciliter l’admission du mélange gazeux dans le moteur par le biais du compresseur

réalisé, on a adapté le système d’aspiration d’air du moteur pour qu’il puisse recevoir de façon

continue et optimum le mélange gaz-air.

La boite à filtre d’origine a été enlevée et a été remplacée par le système d’admission.

Le mélange gazeux, sous pression, est introduit dans la tubulure d’admission en traversant un

papillon, dont le rôle est d’ajuster le débit de mélange gazeux introduit : elle permet donc le

réglage de la puissance du moteur.


RAOILISON Tahiry 37

4.3.Fonctionnement du moteur

Le moteur utilisé pour nos essais et notre étude est un moteur diesel monocylindrique.

Le mélange gazeux est introduit sous pression dans la tubulure d’admission, tandis que

l’injection de gasoil sous pression est maintenue pour amorcer la combustion du combustible.

Il s’agit donc d’une utilisation en mode dual-fuel ou moteur mixte.

4.3.1. Description du fonctionnement dual-fuel

Pour un mélange stœchiométrique d'air et de gaz de gazogène, l'auto-ignition sur moteur

froid (20°C) se produit pour un rapport de compression supérieur à 17, alors que du gasoil

injecté s'auto-enflamme dans les mêmes conditions pour un rapport voisin de 11. Cet écart

permet d'alimenter en mélange air-gaz des moteurs Diesel à taux de compression modéré, en

provoquant un allumage dispersé dans la charge au moyen d'une injection-pilote de gasoil. La

régularité des allumages exige des conditions de température et pression suffisantes au moment

de l'injection, ce qui postule un bon remplissage de la cylindrée. Le contrôle de la puissance ne

peut donc précéder d'une action sur le débit de mélange aspiré mais bien d'une adaptation de sa

richesse en gaz combustible. La propagation de la combustion n'est alors assurée à tous les

régimes que si la dispersion des centres d'ignition issus de l'injection est suffisante. Les

dispositifs de contrôle à adopter pour assurer la convertibilité Diesel-gaz de gazogène doivent

tenir compte des impératifs ci-dessus. On a retenu principalement :

- le maintien du système d'injection d'origine, avec inhibition de régulation sur l'injection en

mode dual ;

- le réglage de puissance par actions complémentaires sur les admissions d'air et de gaz, de

façon à garantir un remplissage complet à tous les régimes.

4.3.2. Limites de richesse et d’injectionpilote

Pour un rapport de compression de 15 et aux conditions atmosphériques standard (20°C,

1 bar) à l'aspiration, le gaz de gazogène brûle complètement pour toutes les richesses

substoechiométriques lorsque l'injection-pilote de fuel dépasse une valeur plancher.


RAOILISON Tahiry 38

La valeur minimum de l'injection-pilote est bien mise en évidence par l'évolution du

rendement à puissance constante lors de la substitution progressive du gaz au gasoil. Le point

anguleux marqué est significatif de l'apparition d'irrégularités de combustion lorsque la quantité

de gasoil n'atteint plus qu'environ 10 % de celle correspondant au régime nominal Diesel.

Pour cette valeur plancher de l'injection-pilote, la richesse maximum en gaz de gazogène

correspond à une richesse globale φ = 1, calculée sur le système air-fuel-gaz. A l'approche de

cette limite supérieure apparaissent des traces d'imbrûlés de fuel pilote (légère fumée noire),

dont l'abondance augmente brutalement à φ a 1, en même temps que chute la puissance, par

défaut d'air de combustion.

Limite de richesse

4.3.3. Limites de taux de compression et de température

En l'absence d'allumage spontané de la charge de gaz par la seule compression, on peut

observer, dans des conditions sévères de fonctionnement, l'auto-allumage de la fraction de

mélange la plus éloignée de la zone d'injection de fuel pilote. Ce phénomène s'apparente à celui

du cliquetis des moteurs à point d'allumage unique, dont on connaît les effets redoutables.


RAOILISON Tahiry 39

La détection en a été faite sur moteur chaud au moyen d'un appareillage classique

d'enregistrement de pression et de traitement du signal, pour diverses conditions de taux de

compression et de température du mélange à l'admission, dont l'influence est décisive sur

l'apparition du phénomène.


RAOILISON Tahiry 40

Chapitre 5. Présentation des résultats

Mise en marche et protocole expérimental

5.1.Matériels et appareils de mesure

Système de gazogène comprenant le gazogène, les équipements de refroidissement

d’épuration et de filtration du gaz ;

D’un turboventilateur combiné à une vanne N°01 agissant sur la quantité de mélange,

et à une vanne N°02 agissant sur la richesse du mélange ;

Moteur diesel monocylindrique qui servira de moteur d’essai et dont les caractéristiques

sont résumées plus bas ;

Alternateur synchrone qui est entrainé par le moteur d’essai, par l’intermédiaire d’une

courroie trapézoïdale ;

D’une charge électrique qui est un résistor de 5000 Watts sous une tension de 220 V.

Elle permet de mesurer la puissance maximale fournie par l’alternateur, entraîné par le

moteur en fonctionnement ;

D’un gradateur permettant de moduler la puissance consommée par le résistor, en

gardant inchangée la tension aux bornes de l’alternateur ;

De deux (02) voltmètres permettant de mesurer la tension aux bornes du résistor et la

tension aux bornes de l’alternateur ;

D’un ampèremètre mesurant le courant traversé par le résistor.

5.2.Essai en mode gasoil uniquement

5.2.1. Etapes

1. Le moteur diesel est mis en marche par sa manivelle de démarrage.

2. Après un temps de chauffage de 15 minutes, on fixe la position de la crémaillère à 10

% de son ouverture maximale.

3. On agit sur la commande du gradateur afin de faire consommer au résistor, la puissance

maximale pouvant être supporté par le système, sous une tension de l’alternateur proche

de 220 Volts.

4. Le régime correspondant du moteur est relevé avec un tachymètre, puis est gardé

pendant 10 minutes,


RAOILISON Tahiry 41

5. Durant cette expérience, on relève la tension moyenne aux bornes du résistor et le

courant moyen qui le traverse.

6. On calcule la puissance moyenne consommée qui est égale au produit de la tension

moyenne par le courant moyen trouvé.

7. Pour la nouvelle série d’expériences, on fixe la position de la crémaillère à x %

[20,30…80%] de sa course maximale, et on reprend les étapes 3 jusqu’à 6.

5.2.2. Résultats obtenus en marche au gasoil uniquement

position

crémaillère de

la pompe

Régime (tr/min) PGASOIL,0

(Watts)

10% 1050 594

20% 1048 1210

30% 1047 1342

40% 1048 1694

50% 1049 2508

60% 1052 3498

70% 1051 4312

80% 1050 5104

90% 1049 5236

Tableau 3 : Tableau récapitulatif des résultats en mode gasoil


RAOILISON Tahiry 42

Régime et puissance en mode gasoil

Ce graphe montre la réponse en puissance du moteur diesel en fonction de la position

de la crémaillère de sa pompe d’injection. Pour une position de 10%, la puissance que l’on peut

recueillir sur l’alternateur couplé s’élève à 600 W. Cette dernière croît presque

proportionnellement avec l’augmentation de la position de la crémaillère. A partir de 80 %

d’ouverture de la crémaillère, le moteur semble atteindre le plafond de sa puissance.

Sur ce même graphe est représentée la vitesse de rotation du moteur correspondant à la

variation de la position de la crémaillère et à la modulation de puissance. Ce régime est voisin

de 1050 tr/min, ce qui correspond à une tension de 220 Volts sous une fréquence de 50 Hz sur

les bornes de l’alternateur.

5.3.Essai en mode dual fuel

5.3.1. Etapes

1. Le moteur diesel est mis en marche par sa manivelle de démarrage, puis chauffé pendant

10 minutes.

2. Le gazogène est chargé de combustibles qui respectent les critères d’humidité et de

dimensions.

3. Il est ensuite mis en marche en initiant la combustion dans son foyer.

4. On fait tourner le turboventilateur pour augmenter l’activité du foyer.

5. Après 5 minutes de fonctionnement, on teste la qualité du gaz en le brûlant (un gaz de

qualité doit se brûler facilement donnant une flamme bleuâtre).

0

1000

2000

3000

4000

5000

6000

1020

1025

1030

1035

1040

1045

1050

1055

0% 20% 40% 60% 80% 100%

Régime et puissance en mode gasoil uniquement

Régime (tr/min) Puissance (kW)


RAOILISON Tahiry 43

6. Une fois que la bonne qualité de gaz est obtenu, on fixe la position de la crémaillère à

10 % de son ouverture maximale, puis on introduit le gaz issu de gazogène avec une

ouverture de vanne N°01 de mélange de 1/3.

7. On ajuste la position de la vanne N°02 (richesse) pour ajuster la quantité d’air à

mélanger au gaz de manière à ce que le moteur puisse avoir un régime libre, stable et

sans étouffement.

8. On agit sur la commande du gradateur afin de faire consommer au résistor, la puissance

maximale pouvant être supporté par le système, sous une tension de l’alternateur proche

de 220 Volts.

9. Le régime correspondant du moteur est relevé avec un tachymètre, puis est gardé

pendant 10 minutes.

10. Durant cette expérience, on relève la tension moyenne aux bornes du résistor et le

courant moyen qui le traverse.

11. On calcule la puissance moyenne consommée qui est égale au produit de la tension

moyenne par le courant moyen trouvé.

12. Pour une même position de la crémaillère de pompe, on ouvre la vanne N°01 à 2/3 de

son ouverture maximale, puis on reprend les étapes 7 à 11. On effectue identiquement

l’étape 12 pour une ouverture de la vanne N°01 à 3/3.

13. On règle de nouveau la position de la crémaillère à 40% puis 60% et on reprend les

séries d’expériences décrit dans l’étape 12.


RAOILISON Tahiry 44

5.3.2. Résultats obtenus en marche dual fuel

Régime (tr/min)

Puissance fournie par gazoil (Watts)

Puissance totale relevée aux

bornes du résistor (Watts)

Gain puissance

Puissance fournie par gazogène (Watts)

Contribution en puissance du gazogène (%)

1049 1210 1576 1,30 366 23%

1050 1210 2140 1,77 1152 54%

1050 1210 3327 2,75 2117 64%

1050 1694 2419 1,43 725 30%

1048 1694 3256 1,92 1562 45%

1052 1694 4252 2,51 2558 60%

1049 3498 4323 1,24 825 19%

1048 3498 5000 1,43 1502 30%

1050 3498 5645 1,61 2147 38%

Tableau 4 : Tableau récapitulatif en mode dual fuel

Avec

POSINJ : position en % de la crémaillère de la pompe d’injection

ANGV1 : ouverture en % de la vanne N°01

PGASOIL : puissance apportée par le combustible gasoil

PGAZOGENE : puissance apportée par le gazogène

PTOT : Puissance totale consommée par le résistor

Gain=PTOT/PGASOIL,0

PTOT= PGAZOGENE + PGASOIL

Contribution en puissance= PGAZOGENE /PTOT

En mode dual fuel, la puissance totale consommée par le résistor est composée par la puissance

fournie par le gasoil et la puissance fournie par le gazogène. La puissance totale est mesurée en

multipliant la tension et le courant moyens traversant le résistor. La puissance apportée par le

gasoil est déterminée, pour une position de la crémaillère donnée par la marche en mode gasoil

uniquement.


RAOILISON Tahiry 45

33% 67% 100%

Puissance fournie par gazogène(Watts)

366 1152 2117

Puissance fournie par gazoil(Watts)

1210 1210 1210

1210 1210 1210

3661152

2117

PUISSANCE RELEVÉE EN FONCTION OUVERTURE VANNE, 20% D'OUVERTURE

CRÉMAILLÈRE GASOIL

33% 67% 100%


725 1562 2558

Puissance fournie par gazoil (Watts) 1694 1694 1694

1694 1694 1694

7251562

2558

PUISSANCE RELEVÉE EN FONCTION OUVERTURE VANNE, 40 % OUVERTURE

CRÉMAILLÈRE GASOIL


RAOILISON Tahiry 46

Puissance du moteur en fonction de l’ouverture de la

vanne et de la crémaillère du gasoil

Pour les 03 positions de la crémaillère (20, 40, ou 60%), on constate que plus on ouvre

la vanne N°01, plus la puissance totale obtenue est élevée. En effet, en ouvrant plus ou moins

la vanne, on introduit dans le moteur plus ou moins de mélange gazeux. Les combustibles

pouvant fournir de l’énergie sont plus ou moins important, ce qui permet d’obtenir plus ou

moins de puissance.

Pour les régimes correspondants à 20% et 40 % de la position de la crémaillère, on

constate clairement que l’augmentation de la puissance totale est presque proportionnelle à

l’ouverture de la vanne N°01. En effet, dans ces régimes, le réglage de l’ouverture de la vanne

agit fidèlement sur la quantité de mélange combustible admis, et permet ainsi d’accroître la

puissance désirée, en conséquence.

33% 67% 100%


825 1502 2147

Puissance fournie par gazoil(Watts)

3498 3498 3498

3498 3498 3498

825 15022147

PUISSANCE RELEVÉE EN FONCTION OUVERTURE VANNE, 60 % OUVERTURE

CRÉMAILLÈRE GAZOIL


RAOILISON Tahiry 47

Courbe récapitulatif

La réponse de l’ouverture de la vanne N°01 pour un régime de 60% de la position de la

crémaillère est particulière. En effet, l’ouverture de la vanne N°01 n’apporte pas d’effet

bénéfique comme précédemment. On constate qu’à mesure où l’on ouvre la vanne N°01, le

gain en puissance est moins important. En effet, à 60% de la position maximale de la

crémaillère, la quantité de gasoil et gaz combustible est relativement importante, et l’ajout d’air

secondaire, nécessaire pour brûler toute cette masse combustible est difficile. On se rapproche

ainsi de la limite du turboventilateur, où la quantité d’air ne peut plus être augmentée, ne

pouvant plus assurer une combustion stœchiométrique. On constate même que pour une

ouverture totale de la vanne N°01 (3/3), supposé être le plein régime du moteur, la puissance

correspondant à 40% de la position de crémaillère est inférieure à celle correspondant à 60%.

5.3.3. Synthèse en mode dual fuel

En mode dual fuel, le gain et la puissance du moteur dépend de l’ouverture de la vanne

N°1 et de la crémaillère gasoil. Pour notre cas de mesure, il est souhaitable d’utiliser une

ouverture de la crémaillère à 20% et l’ouverture de la vanne à 100% parce qu’on a pu identifier

le gain maxima (2.75) apporté par le gaz de gazogène. On consommera ainsi moins de carburant

et c’est la plage idéale pour un meilleur rendement.

0

500

1000

1500

2000

2500

3000

0% 20% 40% 60% 80% 100% 120%

Puissance en fonction ouverture vanne et position crémaillère

20%

40%

60%


RAOILISON Tahiry 48

Chapitre 6. Discussions et interprétation

Pour le système expérimenté, le régime avec 20% comme position de la crémaillère et

une ouverture de 100% de la vanne N°01 correspond au mode dual fuel par excellence. En effet

ce régime donne un gain en puissance maximale (2,75). La contribution gaz de gazogène

maximale et s’élève à 64% de la puissance totale. Cependant, la puissance correspondante

n’est pas le maximum. Elle s’élève à 3327 watts et représente environ 64% de la puissance

maximal du moteur diesel, si ce dernier était alimenté au gasoil uniquement. Dans l’utilisation

de gazogène en mode dual fuel, on préfèrera favorablement ce mode sachant qu’il donne le

meilleur rendement donc la meilleure économie de gasoil.

La puissance maximale en mode dual fuel est obtenue pour 60% de la position de la

crémaillère d’injection et une ouverture de la vanne à 100%. Dans ce mode, la contribution du

alimentation d’un moteur diesel au gaz de...

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