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CaractŽristiques fonctionnelles

des moteurs diesels marins

Claude Jean, Bruno Beaulieu

Luc Breton, Bernard Leclerc

TABLE DES MATIéRES

1.Mesure de la pression moyenne effective indiquŽe

2.Mesure de la puissance indiquŽe

3.Calcul de la puissance et de la pression moyenne effective au frein

3.1 Calcul de la puissance par lÕapplication dÕun couple rŽsistant

3.2 Calcul de la puissance en utilisant les tableaux de performance du moteur

3.3 Calcul de la pression moyenne effective au frein

4.Diagrammes de temps ou de dŽphasage et de compression

4.1 Diagramme de compression

4.2 Diagramme de temps

4.3 Diagramme tracŽ avec ressort faible

5.ProcŽdŽ de combustion

5.1 Les Žtapes de la combustion

5.2 Le cognement caractŽristique des moteurs diesels

6.Les irrŽgularitŽs normalement rencontrŽes sur les diagrammes indicateurs

6.1 Allumage prŽmaturŽ

6.2 Retard ˆ lÕallumage

6.3 Postcombustion

6.4 Fuites ˆ lÕinjecteur

6.5 Encrassement partiel de lÕinjecteur

6.6 Faible pression de compression

6.7 Conditions des soupapes dՎchappement

7.Calcul de la consommation spŽcifique de carburant

8.Calcul du rendement thermique

9.Bilan ŽnergŽtique

Questions

donc primordial de comprendre et dÕopŽrer les divers mŽcanismes menant au calcul de la puissance de chacun des cylindres. Depuis que lÕhuile a remplacŽ le charbon comme combustible, le cycle dÕabord mis au point par Rudolf Diesel a ŽtŽ modifiŽ. Les moteurs diesel modernes ont un cycle ther- mique appelŽ Çcycle mixteÈ ou cycle ÇDUALÈ. On peut reprŽsenter un cycle mixte par un diagramme de phase (diagramme P-V). Chaque cylindre a son diagramme de phase. Sur ce diagramme, que les mŽcaniciens appellent gŽnŽralement une Çcarte de puissanceÈ, lÕaire dŽlimitŽe par la course du piston et par la variation de pression est directement proportionnelle au travail dŽveloppŽ par le cylindre. On peut dŽmontrer cette relation entre le piston, la pression et le travail du cylindre ˆ partir des lois de la thermodynamique moderne. Dans le cas de moteurs rapides et de certains moteurs semi- rapides, il est impossible dÕutiliser un indicateur traditionnel ˆ tambour rotatif car les blement un cycle de combustion. Dans ces cas, on utilise des appareils qui donneront

1CaractŽristiques fonctionnelles

des moteurs diesels marins

Claude Jean, Bruno Beaulieu

Luc Breton, Bernard Leclerc

LASUPERVISION ETLÕENTRETIEN DES MOTEURS DIESELS MARINS une carte indicatrice ou de dŽphasage (pression versus rotation du vilebrequin). Ce sera Pour les moteurs plus performants, il existe, de nos jours, toute une panoplie dÕappareils permettant de relever des diagrammes: de lÕindicateur traditionnel ˆ tambour rotatif

1. MESUREDELAPRESSIONMOYENNEEFFECTIVEINDIQUƒE

Par dŽfinition, la pression moyenne effective indiquŽe sur un diagramme (P.M.E.I.) est la mesure de la hauteur dÕun rectangle dont lÕaire est proportionnelle au travail accom- pli et dont la longueur correspond ˆ la course du piston;on obtient ainsi lÕaire hachurŽe prŽsentŽe ˆ la figure 1.

Figure 1 Diagramme rŽel et diagramme de pression moyenne effective indiquŽe dÕun moteur ˆ deux

temps La pression moyenne effective indiquŽe est une valeur purement thŽorique, mais elle donne une bonne Žvaluation de la puissance de la machine. En effet, plus la pression moyenne effective indiquŽe est ŽlevŽe, plus le moteur est puissant. De plus, cette don- nŽe sert ˆ calculer la puissance indiquŽe du moteur. Pour obtenir la pression moyenne effective indiquŽe, il faut dÕabord procŽder ˆ la prise du diagramme P-V. 2 PP (kPa)(kPa)

V(m3)V(m3)

Travail indiquŽTravail indiquŽPression moyenne effective indiquŽe

Figure 2 SchŽma dÕune installation ŽlectroniqueCARACTƒRISTIQUES FONCTIONNELLES DES MOTEURS

3

UnitŽ de calcul

des informations sur l'injectionUnitŽ de calcul de la position angulaire du vilebrequin et de sa vitesse de rotationUnitŽ de calcul des courbes de compression et d'expansionSŽlecteur de la fonction dŽsirŽe pour l'affichage sur l'Žcran

UnitŽ d'analyse

des PMEIUnitŽ de calcul et de vŽrification des pressions maximales UnitŽ d'affichage desdonnŽes mathŽmatiques

UnitŽ de calcul de

la moyenne arithmŽtique de la fonction sŽlectionnŽe

UnitŽ de calcul de

la pression moyenne effective indiquŽeUnitŽ de calcul des pressions dans le cylindreUnitŽ de calcul de la pression d'air de balayage Bo"te de jonction

Amplificateur

Amplificateur

OSCILLOSCOPE

1) Injecteur

2) Capteur de pression dÕinjection

3) Capteur de pression du cylindre

4) Capteur de pression de balayage

5) Capteur de position du vilebrequin

6) Convertisseur de signaux

7) Moteur

8) Collecteur dÕadmission1

2 3 4 6 5 78
LASUPERVISION ETLÕENTRETIEN DES MOTEURS DIESELS MARINS Beaucoup dÕinstallations modernes utilisent un ensemble de capteurs qui fournissent ˆ un ordinateur de type PC toute lÕinformation nŽcessaire ˆ la production du diagramme de phase. La figure 2 prŽsente le schŽma dÕune installation Žlectronique moderne. Sur les installations plus anciennes, il faut ajouter temporairement un indicateur de pression, le temps de prendre les mesures. Cet indicateur se compose dÕun piston sous lequel vient sÕexercer la poussŽe des gaz. Le piston est rattachŽ ˆ une tige de transmission de mouvement, dont un ressort graduŽ limite le dŽplacement. Un stylet se greffe ˆ cette tige et trace, sur un papier appropriŽ, le dŽplacement du piston. Figure 3 Indicateur de pression ˆ tambour rotatif mŽcanisme reproduisant la course du piston du moteur (figure 3). Le tambour revient automatiquement ˆ sa position de dŽpart gr‰ce ˆ un ressort de rappel. On installe un papier sur le tambour. La pointe du stylet est ajustŽe de faon ˆ ne pas exercer une trop forte pression sur le papier, ce qui pourrait le dŽchirer. 4 12 3

451) Piston

2) Tige de transmission

3) Ressort graduŽ

4) Stylet (vue partielle)

5) Tambour rotatif

6) Ressort de rappel

du tambour

7) Baril pour lÕenroulement

de la ficelle6 7 utilise la trousse dÕoutils et les produits de nettoyage fournis par le manufacturier. Le

piston doit se dŽplacer librement, son ŽtanchŽitŽ doit tre parfaite, son canal dÕalimen-

tation ne doit pas tre obstruŽ, ses ressorts doivent conserver la bonne tension et le tam-

bour rotatif doit tre facile ˆ dŽplacer. Une bonne procŽdure est de nettoyer et dÕhuiler

liser. Une fois nettoyŽ et vŽrifiŽ, lÕindicateur de pression peut tre montŽ sur le robinet

de dŽcompression du cylindre. Avant de raccorder lՎcrou de liaison au robinet, on purge la conduite de toutes les saletŽs pouvant sÕy tre emmagasinŽes. La came ainsi que le mŽcanisme de transmission de la course, qui sont inhŽrents au moteur, assurent la rotation du tambour de lÕindicateur. On obtient alors un diagramme rŽel, tel que prŽsentŽ ˆ la figure 4. Figure 4 Diagramme tel que relevŽ par lÕindicateur de pression

Il peut arriver quÕune mauvaise installation de lÕindicateur ou quÕun dŽfaut dÕun com-

posant du mŽcanisme reproduisant la course du piston donne des diagrammes incomplets ou erronŽs. La figure 5 montre six des fautes les plus courantes reliŽes ˆ lÕemploi de lÕindicateur: ficelle trop longue ou trop courte, mauvais ressort graduŽ, indicateur ou mŽcanisme mal entretenu. Une fois quÕon a obtenu un bon diagramme, on peut passer au calcul de la pression moyenne effective. Pour calculer la P.M.E.I., on dispose de plusieurs mŽthodes : ¥le calcul automatique fait par un ordinateur reliŽ ˆ des capteurs de pression et de position du vilebrequin ou de lÕarbre ˆ cames; 5

CARACTƒRISTIQUES FONCTIONNELLES DES MOTEURS

LASUPERVISION ETLÕENTRETIEN DES MOTEURS DIESELS MARINS Figure 5 Fautes courantes rencontrŽes lors de lÕutilisation de lÕindicateur poraire, un appareillage sophistiquŽ semblable ˆ celui de la figure 2. Des capteurs de pression, de compression et de combustion, de position du vilebrequin ou de lÕarbre ˆ

cames, de torsion de lÕarbre de transmission, de dŽbit, etc., sont reliŽs ˆ un ordinateur

qui calcule automatiquement la puissance dŽveloppŽe par les cylindres, la puissance au frein ou puissance totale dŽveloppŽe par la machine, la pression moyenne effective, la consommation ou toute autre mesure choisie par lÕopŽrateur. Les divers rŽsultats sont alors transmis aux mŽcaniciens et peuvent tre inscrits directement sur les rapports de maintenance.

dessin tout simplement en promenant un pointeau, fixŽ ˆ lÕextrŽmitŽ de son bras mobile,

trouver lÕaire comprise entre les courbes de compression et de dŽtente. 6 diagramme normal diagramme actuel

Corde du mŽcanisme de la course trop courteFriction entre le piston et le cylindre de lÕindicateur

Vibration du mŽcanisme de reproduction de course

Ressort de rappel trop faible

Fuites de gaz du robinet ou raccordement mal faitCorde trop longue

Pour obtenir cette surface, il suffit de dŽterminer un point de dŽpart et de dŽplacer le bras

ajustable sur le contour du diagramme. La diffŽrence de valeur obtenue entre chaque

dŽplacement sur lՎchelle vernier, dÕune part, et le compteur dÕautre part, correspond ˆ

lÕaire recherchŽe. Pour plus de prŽcision, on recommande de rŽpŽter cette opŽration ˆ

quelques reprises ou encore, de vŽrifier le relevŽ dÕune figure dont lÕaire est connue, comme un rectangle. Ë titre dÕexemple, nous reproduisons tel quel, ˆ la figure 6, un extrait dÕun manuel dÕinstruction de M.A.N.-B&Wo on retrouve la dŽmarche recom- 7

CARACTƒRISTIQUES FONCTIONNELLES DES MOTEURS

LASUPERVISION ETLÕENTRETIEN DES MOTEURS DIESELS MARINS Ensuite, pour conna"tre la P.M.E.I., il faut diviser la valeur de lÕaire obtenue par la longueur du diagramme. Enfin, on multiplie ce rŽsultat par le coefficient du ressort de lÕindicateur de pression utilisŽ. Ainsi, on obtient la formule suivante:

P.M.E.I. = (A/L) 3Fressort= (mm2/mm) 3kPa/mm

o

¥Aest lÕaire du diagramme (mm2);

¥Lest la longueur du diagramme (mm);

¥Fest le coefficient du ressort (kPa/mm).

Le coefficient du ressort correspond au dŽplacement en hauteur du stylet sur le papier indicateur de lÕappareil ayant servi ˆ prendre le diagramme, ce dŽplacement Žtant en

relation avec la pression ˆ lÕintŽrieur du cylindre et le coefficient de flexion du ressort.

Par exemple, la valeur inscrite sur le ressort pourrait tre Žgale ˆ 200kPa par mm, lÕaire

2et la longueur du dia-

gramme de 94 mm. Nous aurions alors: P.M.E.I. = 912 mm23200 kPa= 1 940 kPa.94 mm 31 mm lÕaire du diagramme P-V. Pour obtenir cette hauteur moyenne, il faut diviser le diagramme de phase obtenu sur le cylindre en un nombre Žgal de parties. Plus le nombre de divisions est grand, plus la valeur obtenue est prŽcise. Il faut ensuite mesurer et additionner la valeur des hauteurs au centre de chacune des petites surfaces ainsi obtenues. En prenant la mesure au cen- et nombreux, lÕaire totale est pratiquement identique ˆ lÕaire rŽelle du diagramme. La somme des hauteurs, divisŽe par leur nombre, nous donne la hauteur moyenne, associŽe ˆ la pression moyenne effective indiquŽe par le diagramme. La valeur de la pression moyenne effective indiquŽe sÕobtient alors par lՎquation :

P.M.E.I. = Hmoy3Fressort

8 Ë titre dÕexemple, calculons la hauteur moyenne du diagramme prŽsentŽ ˆ la figure 7. On divise dÕabord le diagramme en parties Žgales. Pour ce faire, il suffit de tracer des mettant de diviser facilement la longueur du diagramme en plusieurs parties Žgales, et ple, le diagramme se divise en vingt parties, et lÕon trace une ligne verticale, en poin-

ˆ tracer et elle est reprŽsentŽe ici dans le seul but de bien identifier les aires ˆ calculer.

Il ne reste plus quՈ mesurer la longueur des lignes comprises entre les courbes du dia- 9

CARACTƒRISTIQUES FONCTIONNELLES DES MOTEURS

20 19 1817
16

151413

1211
1098
765
4 321
0

000.51.5355.566.577.58.59101113153036

94 mm15

14

Reproduction de la section entre

les divisions 14 et 15 LASUPERVISION ETLÕENTRETIEN DES MOTEURS DIESELS MARINS gramme, ˆ en faire la somme et ˆ diviser cette somme par le nombre de lectures prises.

La somme des mesures de ces hauteurs donne :

36 + 30 + 19 + 15 + 13 + 11 + 10 + 9 + 8,5 + 7,5 + 7 + 6,5 + 6 + 5,5 + 5

+ 3 + 1,5 + 0,5 + 0 + 0 = 194 mm.

La hauteur moyenne devient donc:

194 mm/20 = 9,7 mm.

On doit enfin multiplier la hauteur moyenne par la force de flexion du ressort afin dÕobtenir la P.M.E.I. Supposons que le diagramme ait ŽtŽ pris avec le mme indicateur que lÕexemple prŽcŽdent, la pression moyenne vaudra:

9,7mm3200 kPa/mm = 1 940 kPa.

2. MESUREDELAPUISSANCEINDIQUƒE

Par dŽfinition, la puissance indiquŽe dÕun cylindre est la puissance gŽnŽrŽe par la com-

bustion qui agit sur son piston. On peut la calculer gr‰ce aux moyens mentionnŽs prŽcŽdemment. La puissance indiquŽe est celle qui aura le plus de rŽpercussion sur

dÕalimentation en air et dՎvacuation des gaz bržlŽs. Pour avoir une puissance indiquŽe

identique pour chacun des cylindres dÕun moteur diesel, il faut respecter toutes les con- ditions qui suivent. Il faut: ¥que tous les composants mŽcaniques des cylindres (piston, segments, injecteur, soupapes, culasse, etc.) soient en parfaite condition ou, ˆ tout le moins, dans des conditions similaires; ¥que la quantitŽ dÕair admise ˆ chaque cylindre soit identique; ¥que la quantitŽ de carburant injectŽe soit Žgale; ¥que le moment, la pŽnŽtration et la durŽe de lÕinjection soient semblables pour cha- cun des cylindres. La moindre dŽviation ˆ lÕune de ces conditions peut avoir des consŽquences dŽsas- treuses pour le moteur, sans compter les pertes de puissance, la rŽduction des reprises ou de lÕaccŽlŽration, la qualitŽ de la combustion (fumŽe noire, pollution par des imbržlŽs, encrassement des turbines, etc.), la surcharge momentanŽe ou constante de 10 certains organes internes ainsi que lÕaugmentation de la consommation en carburant ou cylindres produisant des puissances diffŽrentes. Bien entendu, il est impossible que les cylindres fournissent tous une puissance rigoureusement identique;lÕusure, le jeu des sŽquences sur la puissance de chacun. Il est du devoir du mŽcanicien de limiter ou de

restreindre les disparitŽs afin dÕassurer un fonctionnement rŽgulier, efficace et sŽcuri-

mobiles et certains coussinets peuvent tre surchargŽs, ce qui risque dÕoccasionner une surchauffe et le bris des coussinets. Dans les cylindres, la surcharge peut amener les gaz ˆ sՎchapper vers le carter, provoquant la surchauffe ou le grippage des pistons. Le dŽsŽquilibre crŽe aussi des vibrations dont les variations de contrainte peuvent engen- drer de la fatigue comme des criques (fissures) dans le mŽtal des coussinets, des bris de boulons ou de goujons des coussinets, des criques dans le vilebrequin et la plaque de fondation, ainsi que le desserrage, voire le bris des boulons dÕancrage. Durant le quart

dՎchappement, la tempŽrature de lÕeau de refroidissement ˆ la sortie du moteur, la pres-

sion dÕhuile et la pression de lÕair de suralimentation peuvent nous indiquer un

dŽsŽquilibre. Les gaz dՎchappement, par exemple, doivent tre exempts de fumŽe et il

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