Efficacité exergétique appliquée à l`optimisation de performances d

Efficacité exergétique appliquée à
l’optimisation de performances d’un
moteur Diesel fonctionnant aux
biocarburants
Y. Azoumah, journée sur exergie,20-03-2008, Paris.
1
Enjeux
Adaptation d’un moteur diesel aux Huiles
Végétales (HV) pour des fins d’électrification et
de pompage en zones rurales.
Efficacité exergétique & émission de gaz :
critères d’optimisation des performances des
moteurs?
Y. Azoumah, journée sur exergie,20-03-2008, Paris.
2
Dispositif Expérimental
Pump+Filter
Exhaust gas
analyser
Diesel engine
Neat
diesel
tank
Load bank
A.C. Alternator
Solenoid
control valve
Vegetable
oil tank
Pump+Filter
Flow counter + Filter
135689563
Neat diesel circuit
Vegetable oil circuit
Vegetable oil/ Neat diesel circuit
Y. Azoumah, journée sur exergie,20-03-2008, Paris.
3
Résultats expérimentaux
450
900
Combustion Chamber Temperature (K)
neat diesel
cotton seed oil
palm oil
BSFC (g/ kWh)
400
350
300
250
neat diesel
cotton seed oil
800
palm oil
700
600
500
400
20
30
40
50
60
70
Engine Load (%)
80
90
100
20
40
60
Engine Load (%)
Y. Azoumah, journée sur exergie,20-03-2008, Paris.
80
100
4
Résultats expérimentaux
Combustion Chamber Temperature (K)
900
BSFC (g/ kWh)
400
350
B10
B20
300
B30
B40
B50
800
700
TH_B10
600
TH_B20
TH_B30
500
TH_B40
TH_B50
250
400
20
40
60
Engine Load (%)
80
100
20
40
60
80
100
Engine Load (%)
Y. Azoumah, journée sur exergie,20-03-2008, Paris.
5
Résultats expérimentaux
0,35
Thermal Efficiency (Teff)
Thermal Efficiency (Teff)
0,35
0,3
0,25
Teff_neat diesel
0,3
Teff_B10
Teff_B20
0,25
Teff_B30
Teff_cotton seed oil
Teff_B40
Teff_palm oil
Teff_B50
0,2
0,2
400
500
600
700
800
Combustion Chamber Temperature (K)
420
520
620
720
Combustion Chamber Temperature (K)
Remarque:
L’efficacité thermique diminue avec la température i.e. la qualité de
l’efficacité thermique se dégrade quand la température diminue.
Nécessité de prendre en compte cet aspect dans le choix de
Y. Azoumah, journée sur exergie,20-03-2008, Paris.
critères de performance.
820
6
Analyse exergétique

T0 
ɺ
 = Qɺ in θ H
= Q in  1 −
TH 

E x , in
E x , out

T0 
ɺ
 = Qɺ out θ L
= Q out  1 −
TL 

E x , useful
ɺ
= W
u
ɺ PCI
Qɺ in = m
E x , destroyed = T0 ɺI
T h = T chambre
* combustion
T L = T 0 = T ambiante
Y. Azoumah, 2iE, 06-03-2008.
7
Efficacité exergétique
ɺ θ
Ex,in = Q
in H
Bilan exergétique
E x , in = E x , out + E x , useful + E x , destroyed
Ex,destroyed
= T0ɺI
ɺ
Ex, useful = W
u
ηex =
ɺ θ
Ex,out = Q
out L
Efficacité
exergétique
E x , useful
E x , in − E x , out
Y. Azoumah, 2iE, 06-03-2008.
=
ɺ
W
u
E x , consumption
8
Comparaison des efficacités
0,33
rex_neat diesel
rex_cotton seed oil
rex_palm oil
Teff_neat diesel
Teff_cotton seed oil
Teff_palm oil
0,6
0,29
0,56
0,65
0,3
0,28
0,26
0,55
rex_B10
rex_B30
rex_B50
Teff_B20
Teff_B40
0,27
0,52
rex_B20
rex_B40
Teff_B10
Teff_B30
Teff_B50
0,24
0,22
0,45
0,48
0,25
20
30
40
50
60
70
Engine Load (%)
80
90
100
0,2
20
40
60
80
100
Engine Load (%)
Grosse différence d’analyse selon les deux
critères
Y. Azoumah, journée sur exergie,20-03-2008, Paris.
9
Thermal Efficiency (Teff)
0,32
0,31
Exergy Efficiency (rex)
Exergy Efficiency (rex)
0,64
0,34
Thermal Efficiency (Teff)
0,68
0,75
Efficacité exergétique vs émission
de NO
rex_B10
rex_B20
rex_B30
rex_B40
rex_B50
NO_B10
NO_B20
NO_B30
NO_B40
1000
NO_B50
800
NO Emission (ppm)
Exergy Efficiency (rex)
0,64
1100
1000
0,6
600
0,56
400
0,52
Exergy Efficiency (rex)
0,68
0,75
900
0,65
800
700
600
0,55
500
400
200
300
0
0,48
20
30
40
50
60
70
Engine Load (%)
80
90
100
0,45
200
20
30
40
50
Y. Azoumah, journée sur exergie,20-03-2008, Paris.
60
70
Engine Load (%)
80
90
100
10
NO Emission (ppm)
1200
rex_neat diesel
rex_cotton seed oil
rex_palm oil
NO_neat diesel
NO_cotton seed oil
NO_palm oil
Efficacité exergétique vs émission
de CO2
9
rex_B10
rex_B30
rex_B50
CO2_B20
CO2_B40
6
5
0,6
4
0,56
Exergy Efficiency (rex)
Exergy Efficiency (rex)
0,64
0,75
CO2 Emission (%)
0,68
rex_B20
rex_B40
CO2_B10
CO2_B30
CO2_B50
8
7
0,65
6
5
4
0,55
3
2
3
0,52
1
0,48
2
20
30
40
50
60
70
80
90
100
0,45
0
20
40
Engine Load (%)
60
80
100
Engine Load (%)
Y. Azoumah, journée sur exergie,20-03-2008, Paris.
11
CO2 Emission (%)
7
rex_neat diesel
rex_cotton seed oil
rex_palm oil
CO2_neat diesel
CO2_cotton seed oil
CO2_palm oil
Compromis: efficacité exergétique
vs émissions de gaz
Efficacité
exergétique
En bas de 50 %
+en+ encrassement
au niveau moteur
Emission
de gaz
Au de là 70 %
+en+ pollution de gaz
et faible efficacité
exergétique
Zone de compromis entre % charge croissante
60 % et 70 % de charge max
Y. Azoumah, journée sur exergie,20-03-2008, Paris.
12
Conclusion
Combinaison efficacité énergétique & émission
de gaz
outil efficace pour optimisation des
performances des moteurs
Application à un moteur Diesel fonctionnant
aux biocarburants:
Etablissement d’une zone de compromis pour
les charges, entre 60% et 70% de la charge max.
Yao Azoumah, Ouaga, LCPE/GEI, 06-12-2007.
13
Merci de votre attention!!!
Y. Azoumah, journée sur exergie,20-03-2008, Paris.
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Détermination de la température de la chambre de combustion
T-S diagram of ideal Diesel cycle
 rc
T3 = T4 
r
 of




P-V diagram of ideal Diesel cycle
γ −1
γ = 1.4 = gaz _ parfait
V1
rc =
= 17.5
V2
T4 = Temp_échappement
rof =?????
Teff = η en = 1 +
Yao Azoumah, Ouaga, LCPE/GEI, 06-12-2007.
1 − rofγ
rc γ (rof − 1)
γ −1
= connue
15