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UNIVERSITÉ DU QUÉBEC DOCTORA T PRÉSENTÉ À L'UNrvERSITÉ DU QUÉBEC À TROIS-RfVIÈR

UNIVERSITÉ DU QUÉBEC DOCTORA T PRÉSENTÉ À L'UNrvERSITÉ DU QUÉBEC À TROIS-RfVIÈRES COMME EXIGENCE PARTIELLE DU DOCTORAT EN rNGÉNJERJE OFFERT EN EXTENSION EN VERTU D'UN PROTOCOLE D'ENTENTE AVEC L'UNIVERSITÉ DU QUÉBEC À CHICOUTIMI PAR RACHID MAAMRI MODÉLISATION ET EXPÉRIMENTATION DES MOTEURS À COMBUSTION FONCTIONNANT AVEC DIFFÉRENTS CARBURANTS DE SUBSTITUTION ET MÉLANGES NOVEMBRE 2014 Université du Québec à Trois-Rivières Service de la bibliothèque Avertissement L’auteur de ce mémoire ou de cette thèse a autorisé l’Université du Québec à Trois-Rivières à diffuser, à des fins non lucratives, une copie de son mémoire ou de sa thèse. Cette diffusion n’entraîne pas une renonciation de la part de l’auteur à ses droits de propriété intellectuelle, incluant le droit d’auteur, sur ce mémoire ou cette thèse. Notamment, la reproduction ou la publication de la totalité ou d’une partie importante de ce mémoire ou de cette thèse requiert son autorisation. 11 RÉSUMÉ L'inventeur du moteur à combustion interne à allumage par compression, l'allemand Rudolf Diesel était mû par la volonté de remplacer la machine à vapeur fonctionnant au charbon par un moteur alimenté par des carburants d'origine fossile avec un rendement plus élevé et aussi plus propre. Ces considérations demeurent d'actualité aujourd'hui plus qu'hier. La volonté du législateur en matière de respect de l'environnement a obligé l'industrie automobile à se pencher sur d'autres sources d'énergie moins polluantes ou autres que les hydrocarbures et aussi sur l'optimisation des moteurs de nos véhicules. Dans l'attente de la généralisation de motorisations encore moins polluantes (moteurs fonctionnant à l'hydrogène, pile à combustible, véhicule électrique ... etc.), les moteurs alimentés par des carburants de substitution représentent une alternative intéressante au moteur fonctionnant avec les carburants conventionnels (essence et carburant diesel). L'objectif de cette thèse consiste à évaluer le potentiel d'utilisation du gaz naturel et d'hydrogène à l'état pur et en mélanges dans les moteurs à combustion interne, ainsi que le potentiel du moteur à combustion externe. Le sujet de recherche abordé dans cette thèse marque le début d'une collaboration entre trois équipes de recherche de trois universités: l' Université de Québec à Trois Rivières, Canada, l'Université Polytechnique de Kharkov, Ukraine et l'Université Nationale de l'Automobile et des Ponts et chaussées de Kharkov, Ukraine. Lors de mon premier stage qui s'est déroulé à l'Université Polytechnique de Kharkov, la recherche était axée sur l'utilisation de l'hydrogène à l'état pur dans les moteurs à combustion interne et sur l'élaboration d'un modèle d'optimisation du moteur à combustion externe. Un modèle mathématique de la phase combustion-détente dans un moteur fonctionnant à l'hydrogène a été réalisé et des tests sur un nouveau concept de moteur à combustion externe ont été effectués. Au cours du deuxième stage qui a eu lieu à l'Université Nationale de l'Automobile et des Ponts et chaussées de Kharkov, l'aspect expérimentation du moteur constituait la ligne directrice parallèle au premier stage. Ainsi, tests et calculs ont été réalisés pour un moteur fonctionnant avec du gaz naturel à l'état pur et un autre alimenté par un mélange gaz naturel/hydrogène. Ainsi, une méthode de calcul de la composition d'équilibre des produits de combustion du moteur à gaz à l'aide de la méthode Zeldovitch-Polarny a été élaborée et comparée avec les données expérimentales. Des tests expérimentaux d'un moteur à gaz converti à partir d' un moteur Diesel ont été réalisés et un modèle mathématique basé sur le modèle de Wiebe avec le calcul précis du paramètre de la combustion m a été élaboré. On a réalisé aussi des tests sur un moteur à gaz naturel avec ajout constant d'hydrogène et élaboré des cartographies pour le système de gestion avec iii microprocesseur de ce même moteur. Une approche analytique basée sur le modèle de Wiebe a été élaborée et des tests sur un moteur à petite cylindrée fonctionnant avec le mélange du gaz naturel comprimé et d'hydrogène ont été réalisés. Cette thèse est le fruit de travaux résultant de ce partenariat et constitue la fondation d'un axe de recherche porteur qui sera certainement poursuivi. lx Yves Dubé Directeur de thèse x Lotfi Toubal Co-directeur de thèse IV ABSTRACT The inventor of the compression ignition engine, German Rudolf Diesel was motivated by the desire to replace the coal fueled steam engine by an engine running on fossil fuels with a higher efficiency and also much cleaner. These considerations remain topical today more than ever. The will of legislator to ensure environmental compliance has forced the auto industry to focus on other alternate cleaner source of energy or other than hydrocarbons and also on engine optimization of our vehicles. While we await the generalization of even cleaner vehicles (hydrogen fueled engines, fuel ce 11 , electric vehicle ... etc.), engines fueled by substitute fuels represent an interesting alternative to those pperating on conventional fuels (gasoline and diesel). The objective of this thesis is to evaluate the potential of natural gas and hydrogen in pure form or mixed with other fuels, in interna'! combustion engines, as well as the potential of the external combustion engine. The research topic addressed in this paper marks the beginning of a collaboration between three research teams from three universities: the Université du Québec à Trois- Rivières, Canada, the National Technical University "Kharkov Polytechnic Institute", Ukraine and Kharkov National Automobile and Highway University, Ukraine. During my first training course held at the Kharkov Polytechnic Institute, the research focused on the use of pure hydrogen in internaI combustion engines and the development of an optimization model for an external combustion engine. A mathematical model of the combustion- expansion phase in a hydrogen fueled engine was developed and tests on a new concept of external conibustion engine were carried out. In the second training course, which was held at the Ukraine and Kharkov National Automobile and Highway University, engine experimental aspect was the guideline parallel to the first training course. Thus, tests and ca1culations were carried out for an engine running on pure natural gas and another fueled by a mixture natural gas / hydrogen. A method of ca1culation of the equilibrium composition of the combustion products of the gas engine using the Zeldovitch-Polarny method was developed and compared with the experimental data. Experimental tests of agas engine converted from a diesel engine have been carried out and a mathematical model based on the Wiebe model with the accurate ca1culation of the parameter of burning m was developed. We also carried out tests on a natural gas engine with constant addition of hydrogen and developed maps for the management system with microprocessor of the same engine. An analytical approach based on the Wiebe model was developed and tests on a small engine running on a mixture of compressed natural gas and hydrogen has been achieved. v This thesis is the fruit ofworks resulting from this partnership and it is the foundation of a promising research axis which will certainly be continued in the future. VI Remerciements Je tiens à remercier le professeur Yves Dubé ainsi que le professeur Loutfi Toubal du département de Génie mécanique de l'UQTR, qui ont dirigé cette étude, de m'avoir assisté financièrement et moralement, de m'avoir donné l'opportunité de réaliser ce travail de thèse et de m'avoir soutenu au cours de cette thèse. Je tiens à exprimer ma profonde reconnaissance à M. Danny Dessureault, doyen du Décanat des études de l' Université du Québec à Trois-Rivières (UQTR), à M. Kodjo Agbossou, directeur de l'école d' ingénierie et professeur du département de Génie électrique et génie informatique à l'UQTR et à M. Ahmed Cheriti, professeur au département de Génie électrique et génie informatique à l'UQTR pour leur soutien financier. J'exprime toute ma gratitude à M. Jocelyn Drolet, professeur au département de génie industriel à l'UQTR pour son soutien, ses réponses et ses conseils. Je remercie de l'Ukraine M. F.I.Abramtchuk, Ph.D., professeur associé et chef de département des moteurs à combustion interne à l'Université Nationale de l'Automobile et des Ponts et Chaussées de Kharkov (KhNADU), M. A.N.Kabanov, Ph.D., professeur associé à KhNADU, M. Tokhtar Georgiy Ivanovych, Ph.D., recteur adjoint, vice-recteur à la recherche, la pédagogie et les contacts internationaux, professeur à KhNADU, M. Andriy Petrovych Marchenko, vice-recteur science et recherche de l'Université Nationale Technique de Kharkiv (KhUNT) «Institut Polytechnique de Kharkiv», académicien de l'Académie des Sciences de l'Ukraine, docteur ès sciences techniques, professeur, chef du département des moteurs à combustion interne, M. Dyatshenko Vassily Gregorovitsh, docteur en sciences techniques, professeur à KhUNT, M. Ossetrov Alexandre Alexandrovitsh, PhD., professeur agrégé à KhUNT, pour leur excellent encadrement, leur disponibilité, leur confiance et leur soutien. Je rends grand hommage au défunt professeur Tapan K. Bose, fondateur de l'Institut de recherche sur l'hydrogène (IRH), qui était mon tuteur au début de ma thèse. Je tiens à remercier également tous les membres de jury qui ont accepté de juger ma thèse : Vil M. Demagna Koffi, professeur titulaire et directeur du département de Génie mécanique (président de jury), M. Yves Dubé, professeur titulaire et directeur de comité de programme de premier cycle du département de Génie mécanique (directeur de recherche), M. Lotfi Toubal, professeur du département de Génie mécanique professeur (codirecteur uploads/Litterature/ universite-du-quebec-par-rachid-maamri.pdf