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Caractristiques fonctionnelles
des moteurs diesels marinsClaude Jean, Bruno Beaulieu
Luc Breton, Bernard Leclerc
TABLE DES MATIéRES
1.Mesure de la pression moyenne effective indique
2.Mesure de la puissance indique
3.Calcul de la puissance et de la pression moyenne effective au frein
3.1 Calcul de la puissance par lÕapplication dÕun couple rsistant
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 dphasage et de compression
4.1 Diagramme de compression
4.2 Diagramme de temps
4.3 Diagramme trac avec ressort faible
5.Procd de combustion
5.1 Les tapes de la combustion
5.2 Le cognement caractristique des moteurs diesels
6.Les irrgularits normalement rencontres sur les diagrammes indicateurs
6.1 Allumage prmatur
6.2 Retard lÕallumage
6.3 Postcombustion
6.4 Fuites lÕinjecteur
6.5 Encrassement partiel de lÕinjecteur
6.6 Faible pression de compression
6.7 Conditions des soupapes dÕchappement
7.Calcul de la consommation spcifique de carburant
8.Calcul du rendement thermique
9.Bilan nergtique
Questions
donc primordial de comprendre et dÕoprer les divers mcanismes menant au calcul de la puissance de chacun des cylindres. Depuis que lÕhuile a remplac le charbon comme combustible, le cycle dÕabord mis au point par Rudolf Diesel a t modifi. Les moteurs diesel modernes ont un cycle ther- mique appel Çcycle mixteÈ ou cycle ÇDUALÈ. On peut reprsenter un cycle mixte par un diagramme de phase (diagramme P-V). Chaque cylindre a son diagramme de phase. Sur ce diagramme, que les mcaniciens appellent gnralement une Çcarte de puissanceÈ, lÕaire dlimite par la course du piston et par la variation de pression est directement proportionnelle au travail dvelopp par le cylindre. On peut dmontrer cette relation entre le piston, la pression et le travail du cylindre 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 tambour rotatif car les blement un cycle de combustion. Dans ces cas, on utilise des appareils qui donneront1Caractristiques fonctionnelles
des moteurs diesels marinsClaude Jean, Bruno Beaulieu
Luc Breton, Bernard Leclerc
LASUPERVISION ETLÕENTRETIEN DES MOTEURS DIESELS MARINS une carte indicatrice ou de dphasage (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 tambour rotatif1. MESUREDELAPRESSIONMOYENNEEFFECTIVEINDIQUE
Par dfinition, la pression moyenne effective indique 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 la course du piston;on obtient ainsi lÕaire hachure prsente la figure 1.Figure 1 Diagramme rel et diagramme de pression moyenne effective indique dÕun moteur deux
temps La pression moyenne effective indique est une valeur purement thorique, mais elle donne une bonne valuation de la puissance de la machine. En effet, plus la pression moyenne effective indique est leve, plus le moteur est puissant. De plus, cette don- ne sert calculer la puissance indique du moteur. Pour obtenir la pression moyenne effective indique, il faut dÕabord procder la prise du diagramme P-V. 2 PP (kPa)(kPa)V(m3)V(m3)
Travail indiquTravail indiquPression moyenne effective indiqueFigure 2 Schma dÕune installation lectroniqueCARACTRISTIQUES FONCTIONNELLES DES MOTEURS
3Unit de calcul
des informations sur l'injectionUnit de calcul de la position angulaire du vilebrequin et de sa vitesse de rotationUnit de calcul des courbes de compression et d'expansionSlecteur de la fonction dsire pour l'affichage sur l'cranUnit d'analyse
des PMEIUnit de calcul et de vrification des pressions maximales Unit d'affichage desdonnes mathmatiquesUnit de calcul de
la moyenne arithmtique de la fonction slectionneUnit de calcul de
la pression moyenne effective indiqueUnit de calcul des pressions dans le cylindreUnit de calcul de la pression d'air de balayage Bo"te de jonctionAmplificateur
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 78LASUPERVISION ETLÕENTRETIEN DES MOTEURS DIESELS MARINS Beaucoup dÕinstallations modernes utilisent un ensemble de capteurs qui fournissent un ordinateur de type PC toute lÕinformation ncessaire la production du diagramme de phase. La figure 2 prsente le schma dÕune installation lectronique 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 pousse des gaz. Le piston est rattach une tige de transmission de mouvement, dont un ressort gradu limite le dplacement. Un stylet se greffe cette tige et trace, sur un papier appropri, le dplacement du piston. Figure 3 Indicateur de pression tambour rotatif mcanisme reproduisant la course du piston du moteur (figure 3). Le tambour revient automatiquement sa position de dpart grce un ressort de rappel. On installe un papier sur le tambour. La pointe du stylet est ajuste de faon ne pas exercer une trop forte pression sur le papier, ce qui pourrait le dchirer. 4 12 3
451) Piston
2) Tige de transmission
3) Ressort gradu
4) Stylet (vue partielle)
5) Tambour rotatif
6) Ressort de rappel
du tambour7) Baril pour lÕenroulement
de la ficelle6 7 utilise la trousse dÕoutils et les produits de nettoyage fournis par le manufacturier. Lepiston doit se dplacer librement, son tanchit doit tre parfaite, son canal dÕalimen-
tation ne doit pas tre obstru, ses ressorts doivent conserver la bonne tension et le tam-bour rotatif doit tre facile dplacer. Une bonne procdure est de nettoyer et dÕhuiler
liser. Une fois nettoy et vrifi, lÕindicateur de pression peut tre mont sur le robinet
de dcompression du cylindre. Avant de raccorder lÕcrou de liaison au robinet, on purge la conduite de toutes les salets pouvant sÕy tre emmagasines. La came ainsi que le mcanisme de transmission de la course, qui sont inhrents au moteur, assurent la rotation du tambour de lÕindicateur. On obtient alors un diagramme rel, tel que prsent la figure 4. Figure 4 Diagramme tel que relev par lÕindicateur de pressionIl peut arriver quÕune mauvaise installation de lÕindicateur ou quÕun dfaut dÕun com-
posant du mcanisme reproduisant la course du piston donne des diagrammes incomplets ou errons. La figure 5 montre six des fautes les plus courantes relies lÕemploi de lÕindicateur: ficelle trop longue ou trop courte, mauvais ressort gradu, indicateur ou mcanisme 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 mthodes : ¥le calcul automatique fait par un ordinateur reli des capteurs de pression et de position du vilebrequin ou de lÕarbre cames; 5CARACTRISTIQUES FONCTIONNELLES DES MOTEURS
LASUPERVISION ETLÕENTRETIEN DES MOTEURS DIESELS MARINS Figure 5 Fautes courantes rencontres lors de lÕutilisation de lÕindicateur poraire, un appareillage sophistiqu semblable celui de la figure 2. Des capteurs de pression, de compression et de combustion, de position du vilebrequin ou de lÕarbre cames, de torsion de lÕarbre de transmission, de dbit, etc., sont relis un ordinateur
qui calcule automatiquement la puissance dveloppe par les cylindres, la puissance au frein ou puissance totale dveloppe par la machine, la pression moyenne effective, la consommation ou toute autre mesure choisie par lÕoprateur. Les divers rsultats sont alors transmis aux mcaniciens et peuvent tre inscrits directement sur les rapports de maintenance.dessin tout simplement en promenant un pointeau, fix lÕextrmit de son bras mobile,
trouver lÕaire comprise entre les courbes de compression et de dtente. 6 diagramme normal diagramme actuelCorde du mcanisme de la course trop courteFriction entre le piston et le cylindre de lÕindicateur
Vibration du mcanisme de reproduction de courseRessort de rappel trop faible
Fuites de gaz du robinet ou raccordement mal faitCorde trop longuePour obtenir cette surface, il suffit de dterminer un point de dpart et de dplacer le bras
ajustable sur le contour du diagramme. La diffrence de valeur obtenue entre chaquedplacement sur lÕchelle vernier, dÕune part, et le compteur dÕautre part, correspond
lÕaire recherche. Pour plus de prcision, on recommande de rpter cette opration
quelques reprises ou encore, de vrifier le relev dÕune figure dont lÕaire est connue, comme un rectangle. Ë titre dÕexemple, nous reproduisons tel quel, la figure 6, un extrait dÕun manuel dÕinstruction de M.A.N.-B&Wo on retrouve la dmarche recom- 7CARACTRISTIQUES 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 rsultat par le coefficient du ressort de lÕindicateur de pression utilis. 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 dplacement en hauteur du stylet sur le papier indicateur de lÕappareil ayant servi prendre le diagramme, ce dplacement tant enrelation avec la pression lÕintrieur du cylindre et le coefficient de flexion du ressort.
Par exemple, la valeur inscrite sur le ressort pourrait tre gale 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 gal de parties. Plus le nombre de divisions est grand, plus la valeur obtenue est prcise. 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 lÕaire relle du diagramme. La somme des hauteurs, divise par leur nombre, nous donne la hauteur moyenne, associe la pression moyenne effective indique par le diagramme. La valeur de la pression moyenne effective indique sÕobtient alors par lÕquation :P.M.E.I. = Hmoy3Fressort
8 Ë titre dÕexemple, calculons la hauteur moyenne du diagramme prsent la figure 7. On divise dÕabord le diagramme en parties gales. Pour ce faire, il suffit de tracer des mettant de diviser facilement la longueur du diagramme en plusieurs parties gales, et ple, le diagramme se divise en vingt parties, et lÕon trace une ligne verticale, en poin- tracer et elle est reprsente ici dans le seul but de bien identifier les aires calculer.
Il ne reste plus quÕ mesurer la longueur des lignes comprises entre les courbes du dia- 9CARACTRISTIQUES FONCTIONNELLES DES MOTEURS
20 19 181716
151413
12111098
765
4 321
0
000.51.5355.566.577.58.59101113153036
94 mm15
14Reproduction de la section entre
les divisions 14 et 15 LASUPERVISION ETLÕENTRETIEN DES MOTEURS DIESELS MARINS gramme, en faire la somme et 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 t pris avec le mme indicateur que lÕexemple prcdent, la pression moyenne vaudra:9,7mm3200 kPa/mm = 1 940 kPa.
2. MESUREDELAPUISSANCEINDIQUE
Par dfinition, la puissance indique dÕun cylindre est la puissance gnre par la com-
bustion qui agit sur son piston. On peut la calculer grce aux moyens mentionns prcdemment. La puissance indique est celle qui aura le plus de rpercussion surdÕalimentation en air et dÕvacuation des gaz brls. Pour avoir une puissance indique
identique pour chacun des cylindres dÕun moteur diesel, il faut respecter toutes les con- ditions qui suivent. Il faut: ¥que tous les composants mcaniques des cylindres (piston, segments, injecteur, soupapes, culasse, etc.) soient en parfaite condition ou, tout le moins, dans des conditions similaires; ¥que la quantit dÕair admise chaque cylindre soit identique; ¥que la quantit de carburant injecte soit gale; ¥que le moment, la pntration et la dure de lÕinjection soient semblables pour cha- cun des cylindres. La moindre dviation lÕune de ces conditions peut avoir des consquences dsas- treuses pour le moteur, sans compter les pertes de puissance, la rduction des reprises ou de lÕacclration, la qualit de la combustion (fume noire, pollution par des imbrls, encrassement des turbines, etc.), la surcharge momentane ou constante de 10 certains organes internes ainsi que lÕaugmentation de la consommation en carburant ou cylindres produisant des puissances diffrentes. Bien entendu, il est impossible que les cylindres fournissent tous une puissance rigoureusement identique;lÕusure, le jeu des squences sur la puissance de chacun. Il est du devoir du mcanicien de limiter ou derestreindre les disparits afin dÕassurer un fonctionnement rgulier, efficace et scuri-
mobiles et certains coussinets peuvent tre surchargs, ce qui risque dÕoccasionner une surchauffe et le bris des coussinets. Dans les cylindres, la surcharge peut amener les gaz sÕchapper vers le carter, provoquant la surchauffe ou le grippage des pistons. Le dsquilibre cre aussi des vibrations dont les variations de contrainte peuvent engen- drer de la fatigue comme des criques (fissures) dans le mtal 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 quartdÕchappement, la temprature de lÕeau de refroidissement la sortie du moteur, la pres-
sion dÕhuile et la pression de lÕair de suralimentation peuvent nous indiquer undsquilibre. Les gaz dÕchappement, par exemple, doivent tre exempts de fume et il
ne doit y avoir ni vibration ni bruit anormal. La majorit des manufacturiers recom- mandent que la puissance des cylindres soit vrifie et ajuste pour des conditions de marche normale. Cette condition de marche est connue sous le nom anglais de ÇMaximun Continuous RatingÈ ou MCR, et correspond gnralement une puissance quivalent 85Ð90 % de la puissance maximale du moteur. Pour calculer la puissance indique, on sÕappuie sur les lois de la thermodynamique, et on utilise la formule suivante :Puissance indique = PLAN
o Pest la pression moyenne effective indique en pascal; Nest le nombre de fois par seconde que cette surface est gnre. Par exemple, calculons la puissance indique gnre par chacun des cylindres et par un moteur dont tous les cylindres fournissent une puissance identique, si on suppose que les donnes recueillies prcdemment proviennent dÕun moteur M.A.N. 12V40/45 ayant une vitesse de rotation de 600 tours par minute. dres en V, donc dÕun moteur quatre temps, ayant un alsage de 40 cm et une course de 45 cm. 11CARACTRISTIQUES FONCTIONNELLES DES MOTEURS
LASUPERVISION ETLÕENTRETIEN DES MOTEURS DIESELS MARINS En insrant ces donnes dans la formule, on obtient:¥Pour un cylindre:
Puissance indique = 1 940 kPa
30,45 m 3px (0,2 m)235 diagrammes/s,
Puissance indique du cylindre = 550 kW.
¥Pour le moteur:
Puissance indique du moteur = 550 kW
312 cyl. = 6 600 kW.
Lorsque la puissance gnre par chacun des cylindres est connue et que les conditions charge entre les cylindres. On fait par la suite une nouvelle vrification, pour sÕassurer que chaque cylindre fournit une puissance identique. Il est important de mentionner que mme si la puissance dveloppe par un cylindre a des rpercussions sur la temprature de ses gaz dÕchappement, on ne doit jamais se baser sur cette temprature pour quilibrer la charge entre les cylindres. En effet, dÕautres facteurs comme le mode dÕalimentation des turbosoufflantes, le type de cons- truction des collecteurs dÕchappement et la position mme des turbosoufflantes Par exemple, prenons le cas dÕun moteur dont la turbosoufflante est alimente par impulsions de pression;comme on peut le voir la figure 8, les gaz sortant du cylindre situ lÕextrmit du collecteur vont se diluer dans celui-ci. Par contre, les gaz ceux qui proviennent des autres cylindres. Dans ce cas, il est normal de retrouver desFigure 8 Schma du collecteur et tempratures dÕchappement pour un moteur Sulzer 5RD 68
12 1234370 ¼C
420 ¼C
450 ¼C
470 ¼C1) Turbosoufflante
2) Collecteur dÕchappement
3) Cylindre
4) Bti
DÕautres raisons extrieures peuvent modifier la temprature des gaz dÕchappement. ture. Une augmentation de la temprature de lÕair ambiant, lÕencrassement des filtres ou injecte demeure identique. Une contre-pression lÕchappement provoque par des une augmentation de la temprature dÕchappement. 13CARACTRISTIQUES FONCTIONNELLES DES MOTEURS
Une augmentation de temprature sur un cylindre indique que ce dernier a des avaries mcaniques.Une augmentation de temprature de tous les cylindres indique une avarie duUne augmentation de la temprature
de lÕair ambiant augmentera la tem- prature des gaz dÕchappement.Une augmentation de la
temprature de lÕair de suralimentation entra"nera une augmentation des tempratures dÕchappement.Une diffrence de pression de plus de 50 % que les rsultats des courbes de performance indique que le filtre est encrass. augmentation de la tempra- ture dÕchappement et pourra provoquer le pompage de la turbosoufflante.Une diffrence de pression de plus
de 50 % au rfrigrant air indique quÕil est encrass du ct air. Les consquences de cette situation sont les mmes que celles cites prcdemment.Les pressions et les tem- pratures lÕintrieur de la chambre de combustion vont tre affectes par la qualit des composants mcaniques du cylindre. Une rduction de la pression dÕair de balayage entra"ne automatiquement une rduction de la masse dÕair admise. Les circuits dÕadmission ou dÕchappement sont vrifier pour un encrassement excessif. Une diffrence de temprature importante de lÕeau de refroidissement et de lÕair indique un encrassement du rfrigrant air.Une augmentation de la temprature de lÕeau de refroidissement la sortie du rfrigrant air indique un encrassement du ct eau. LASUPERVISION ETLÕENTRETIEN DES MOTEURS DIESELS MARINS La temprature dÕchappement nÕest quÕun indice, parmi beaucoup dÕautres, quÕil3. CALCULDELAPUISSANCEETDELAPRESSION
MOYENNEEFFECTIVEAUFREIN
La puissance au frein est la puissance utile la bride dÕaccouplement du moteur. Il est important de comprendre que la diffrence qui existe entre la puissance indique et la puissance au frein est le rsultat des pertes gnres par le frottement des diverses Beaucoup dÕappareils peuvent tre actionns par le moteur: pompe lÕhuile, appareil dÕalimentation en carburant, eau douce, eau de mer, appareil de balayage, com- presseur, alternateur, ordinateur de commande, etc. En gnral, les petits moteurs rapi-des et semi-rapides sont quips de tous les appareils ncessaires leur fonctionnement,
ce qui nÕest pas le cas des moteurs semi-rapides plus puissants et des moteurs lents. Pour comparer la puissance indique et la puissance au frein, nous parlerons du Çren- dement mcanique de la machineÈ. Le rendement mcanique, symbolis par hmcanique, est le rapport existant entre la puissance au frein et la puissance indique. La valeur de ce rendement est donc toujours infrieure 1 et, dans le cas des moteurs diesels, elle oscille autour de 0,9. alternateur ou de tables tablies la suite dÕessais en mer du navire avant sa livraison. des rampes des pompes dÕinjection, la vitesse des turbosoufflantes, etc., avant que les moteurs ne soient installs sur des bancs dÕessai et que lÕon calcule leur puissance, leur couple et leur consommation en carburant. Toutes ces indications sont compiles etremises lÕacheteur. Les mcaniciens doivent sÕy rfrer afin de faire ou de vrifier les
chaque routine dÕentretien.3.1 Calcul de la puissance parlÕapplication dÕun couple rsistant
De nombreux moteurs diesels modernes sont munis de capteurs de position qui vont tablir la valeur de lÕangle de torsion de lÕarbre de transmission. Quand on conna"t la rsistance et la dimension de cet arbre, il est facile dÕvaluer avec prcision la force ncessaire pour raliser cette torsion. De l, le calcul de la puissance au frein est rapi- de et prcis: les donnes sont immdiatement transmises un ordinateur qui effectue les calculs instantanment et les affiche directement sur lÕcran du poste de commande. 14 Tableau 1 Exemple de rsultats de bancs dÕessai 15CARACTRISTIQUES FONCTIONNELLES DES MOTEURS
Time :Date :Load :Meag. No. :08:2112.4.7675 ¡
5 Engine TypeBlower TypeEngineNo.Blower No.Brake TypeFuel usedCel. Value8L 40/54A603218MAN NA 48/59726925N.A.16 U 160Heavy Fuel9724
lb/in2lb/in2 lb/in2lb/in2lb/in2quotesdbs_dbs27.pdfusesText_33[PDF] puissance indiquée moteur thermique
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