Étude expérimentale et modélisation phénoménologique des transferts thermiques aux parois des chambres de combustion des moteurs à allumage commandé PDF Download
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Author: Simon Le guen Publisher: ISBN: Category : Languages : fr Pages : 0
Book Description
Du fait du durcissement des normes en matière d'émissions polluantes et de gaz à effet de serre, les constructeurs automobiles développent des groupes motopropulseurs toujours plus sophistiqués et mettent au point des stratégies de contrôle moteur avancées. Dans ce contexte, les outils de simulation interviennent à toutes les étapes du processus de développement d'un moteur. Il est donc nécessaire de posséder des modèles à la fois fiables et simples d'utilisation. Les transferts thermiques entre les gaz et les parois de la chambre de combustion influencent des postes clés tels que la consommation et les émissions polluantes. Néanmoins ceux-ci sont difficiles à modéliser du fait de la complexité associée à leur caractérisation expérimentale. Au cours du travail de thèse, une instrumentation spécifique permettant de mesurer directement le flux de chaleur aux parois des chambres de combustion des moteurs à piston a été développée. Les mesures spécifiques réalisées dans différentes conditions de fonctionnement sont combinées à des mesures standards afin de d'étudier les phénomènes gouvernant le transfert de chaleur. Ces résultats sont utilisés pour comparer les principaux modèles zéro-dimensionnels provenant de la littérature et les différentes méthodes de calibration disponibles. Leur précision ainsi que leur prédictivité sont évaluées et des modifications sont proposées.
Author: Simon Le guen Publisher: ISBN: Category : Languages : fr Pages : 0
Book Description
Du fait du durcissement des normes en matière d'émissions polluantes et de gaz à effet de serre, les constructeurs automobiles développent des groupes motopropulseurs toujours plus sophistiqués et mettent au point des stratégies de contrôle moteur avancées. Dans ce contexte, les outils de simulation interviennent à toutes les étapes du processus de développement d'un moteur. Il est donc nécessaire de posséder des modèles à la fois fiables et simples d'utilisation. Les transferts thermiques entre les gaz et les parois de la chambre de combustion influencent des postes clés tels que la consommation et les émissions polluantes. Néanmoins ceux-ci sont difficiles à modéliser du fait de la complexité associée à leur caractérisation expérimentale. Au cours du travail de thèse, une instrumentation spécifique permettant de mesurer directement le flux de chaleur aux parois des chambres de combustion des moteurs à piston a été développée. Les mesures spécifiques réalisées dans différentes conditions de fonctionnement sont combinées à des mesures standards afin de d'étudier les phénomènes gouvernant le transfert de chaleur. Ces résultats sont utilisés pour comparer les principaux modèles zéro-dimensionnels provenant de la littérature et les différentes méthodes de calibration disponibles. Leur précision ainsi que leur prédictivité sont évaluées et des modifications sont proposées.
Author: Eric Ollivier Publisher: ISBN: Category : Languages : fr Pages : 192
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Le cliquetis est un frein au développement de moteurs de nouvelle génération munis d'une faible cylindrée et suralimentés. Il est aussi un obstacle à l'utilisation du gaz naturel comme alternative au pétrole dans les applications stationnaires dédiées à la production d’électricité ou à la production combinée chaleur-force. Ce phénomène provient de l’auto-inflammation de la charge fraîche dans la chambre de combustion. Il s'accompagne d'un fort accroissement des pertes pariétales pendant le cycle et peut à terme conduire à la destruction du moteur. Ce travail propose d’établir une méthode de détection non intrusive d’un cliquetis durable. Elle repose sur la mesure de deux températures influencées par les effets du cliquetis sur le bilan énergétique du moteur. La première est la température des gaz d’échappement. Sa chute significative a été évaluée par un modèle thermodynamique prédictif dans lequel l'influence du cliquetis sur le déroulement de la combustion et les transferts thermiques gaz paroi ont été pris en compte. La seconde est une température de paroi dont l'accroissement a été calculé par un modèle de conduction thermique dans les parois de la chambre. L’étude de leur évolution conjuguée a permis d’établir une méthode non intrusive de détection du cliquetis. Le concept, validé sur banc, permet de distinguer les réglages moteurs cliquetant et d'évaluer l'intensité du phénomène. La métrologie utilisée à cet effet favorise sa mise en œuvre en milieu industriel.
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La législation concernant les émissions polluantes des moteurs d'automobile devenant de plus en plus draconienne, et dans un soucis de diminuer les rejets de gaz à effets de serres, les constructeurs automobiles se sont engagés à diminuer la consommation et les émissions polluantes des véhicules. Pour réussir ce challenge, une compréhension parfaite de la combustion est nécessaire pour permettre notamment d'améliorer les modèles numériques nécessaire à la conception de moteur respectant les prochaines normes antipollution. Malgré de très nombreuses recherches concernant les différentes phases de la combustion moteur, certaines d'entre elles sont encore très mal connues. L'interaction des flammes de prémélange avec les parois de la chambre de combustion fait partie. Nous proposons dans ce travail d'améliorer les connaissances générales de la combustion des moteurs à allumage commandé et plus particulièrement du phénomène d'interaction flamme paroi. Pour cela, deux dispositifs expérimentaux ont été mis en œuvre : - Le premier permet l'étude de l'interaction d'une flamme laminaire de prémélange avec une paroi dans une enceinte maintenue à pression constante. La PIV (Particle Imaging Velocimetry) rapide a été mise en place afin de suivre temporellement la propagation de la flamme contre une paroi froide. Les vitesses locales aux fronts et les étirements de flammes ont ainsi pu être déterminés. Il a été montré que le comportement de la flamme évoluait significativement lorsque le front de flamme était distant de 4 à 5 mm de la paroi. - Le deuxième dispositif expérimental est un moteur à accès optiques. L'aérodynamique pariétale de ce dernier a été caractérisée à l'aide de la PIV (Particule Image Velocimetry) basse fréquence. La Fluorescence induite par tomographie laser a été utilisée pour étudier les flammes de prémélange interagissant avec le piston. L'analyse des images tomographiques a permis de déterminer le taux de réaction moyen à partir de l'analyse de la densité de surface de flamme puis de l'analyse fractale. Un effort particulier a été apporté pour ne pas intégrer à ces analyses les fluctuations cycle à cycle de la combustion. Finalement, une évolution du taux de réaction moyen en fonction de la distance flamme piston a été déterminée.
Author: Salah Amara Publisher: ISBN: Category : Languages : fr Pages : 16
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Les variations rapides de pression et de température influent considérablement sur les échanges thermiques instantanés entre le gaz et les parois de la chambre de combustion. Une étude expérimentale de la densité surfacique du flux de chaleur échangé en deux points de la paroi de la culasse a permis en effet de mettre en évidence l'accumulation d'énergie dans la couche limite thermique qui se manifeste par un déphasage temporel entre le flux et l'écart de température global gaz-paroi. En régime laminaire instationnaire, une simulation de ces échanges fait bien apparaître des extrema locaux de température dans la couche limite thermique. Une interprétation du mécanisme de formation et de déplacement de ces extrema est donnée. Les échanges thermiques en régime turbulent sont décrits à l'aide du modèle monodimensionnel de yang et martin ou l'effet de la turbulence est pris en compte par le biais de la conductivité thermique turbulente. Ce modèle a été modifie pour limiter l'augmentation de la conductivité thermique turbulente avec la distance à la paroi. Le paramètre de limitation est lié à la valeur locale de la viscosité turbulente. Le modèle ainsi obtenu permet une meilleure détermination de l'épaisseur de la couche limite thermique et s'adapte de lui-même à toute situation intermédiaire entre le régime laminaire et les régimes fortement turbulents, la densité du flux de chaleur étant modulée en conséquence. L'implantation de ce modèle dans le code de simulation kiva2 a montré que la prise en compte des instationnarités de température et de pression constitue une amélioration par rapport aux lois de paroi logarithmiques mais se révèle insuffisante. Une superposition du modèle monodimensionnel et d'une loi de paroi logarithmique rendant compte de l'effet de la vitesse tangentielle donne des résultats se rapprochant au mieux des évolutions expérimentales et ceci pour différentes vitesses de rotation. Une étude paramétrique comparative est ensuite réalisée pour montrer l'impact du choix d'un modèle de calcul du flux de chaleur pariétal sur la détermination des champs de vitesse, de température, d'énergie cinétique turbulente et de son taux de dissipation à la fin de la course de compression.
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LA PROPAGATION D'UNE FLAMME PREMELANGEE TURBULENTE DANS UNE CHAMBRE DE COMBUSTION FERMEE EST ETUDIEE PAR L'APPROCHE FONCTION DENSITE DE PROBABILITE (PDF) DES VARIABLES FRACTION ET ENTHALPIE MASSIQUES. L'ALLUMAGE ET L'INTERACTION FLAMME-PAROI PEUVENT AINSI ETRE REPRESENTES EGALEMENT. LA RESOLUTION DE L'EQUATION POUR LA PDF JOINTE EST EFFECTUEE PAR UNE METHODE MONTE CARLO LAGRANGIENNE COUPLEE A UN CODE DE CALCUL EULERIEN. DEUX MODELES DE DIFFUSION TURBULENTE SONT PRESENTES ET ETUDIES : LE PREMIER SUPPOSE CLASSIQUEMENT UNE DIFFUSION DE TYPE GRADIENT ALORS QUE LE SECOND REPOSE SUR LA DISPERSION TURBULENTE LAGRANGIENNE DE PARTICULES. UNE ADAPTATION DE CE DERNIER, NECESSAIRE POUR LES ECOULEMENTS REACTIFS EST PROPOSEE. UN NOUVEAU MODELE DE MELANGE TENANT COMPTE DE LA PRESENCE EVENTUELLE DE FLAMMELETTES EST EGALEMENT PROPOSE. LE TEMPS CARACTERISTIQUE DE MELANGE EST CALCULE A PARTIR DE LA DISSIPATION SCALAIRE DONT L'EQUATION DE TRANSPORT ETABLIE DANS LE CADRE DE FLAMMELETTES EST GENERALISEE POUR DES FLAMMES PLUS EPAISSES. TROIS PROCESSUS DE TRANSFERTS THERMIQUES SONT PROPOSES AFIN DE DETERMINER LES FLUX DE CHALEUR PARIETAUX. LES DIVERS PROCESSUS STOCHASTIQUES SONT ETUDIES TOUT D'ABORD DANS UN CAS SIMPLE MONODIMENSIONNEL. DES CALCULS SONT MENES ENSUITE DANS UNE CONFIGURATION REELLE BIDIMENSIONNELLE. UNE DERNIERE ETUDE DEMONTRE LA FAISABILITE DE L'APPROCHE PDF DANS LES MOTEURS (A ALLUMAGE COMMANDE).
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Un modèle phénoménologique multi-zone, intégrant les derniers sous-modèles physiques connus (aérodynamique, pulvérisation, combustion turbulente, production de suie, frottement piston-chemise...) est développé. II est validé expérimentalement sur la pression cylindre, l'énergie libérée et les transferts de chaleur aux parois, et utilisé pour calculer des grandeurs locales non mesurables sur moteur par exemple : la richesse, la température des gaz, la fraction brûlée, la fraction volumique de suie... La première partie concerne la mesure par PDA (Particle Dynamic Analyser) de la taille et de la vitesse des gouttes dans une chambre de combustion à volume constant à la température ambiante, pour différentes pressions des gaz et différents diamètres de l'orifice d'injecteur. La distribution spatio-temporelle des diamètres de gouttes nous a permis de proposer une nouvelle loi de la fraction volumique en fonction du diamètre normalisé précisant celle publiée par Hiroyasu, ainsi qu'un modèle simplifié décrivant la pulvérisation. Le modèle multi-zone proposé prend en compte le swirl, la turbulence, la pulvérisation, l'échauffement et l'évaporation des gouttes, la production des suies et les transferts thermiques convectif et radiatif. La vitesse tangentielle supposée parabolique est calculée à l'aide des équations de conservation de la masse et du moment cinétique angulaire. La turbulence supposée homogène est calculée à l'aide d'un modèle k-e. En complément de l'aérothermochimie de la combustion, l'energie génerée par frottement piston-chemise est déterminée pour chacun des segments et pour la jupe en considérant les modes de lubrification hydrodynamique et mixte. Contrairement aux travaux antérieurs limites aux phases de compression, combustion-detente, le modèle proposé décrit le cycle complet intégrant les échanges de masse avec l'extérieur. Enfin les mesures des pertes thermiques conduites sur un banc d'essai (mesures globales sur les circuits de refroidissement de la chemise, de la culasse et de l'huile de lubrification et mesures locales en plusieurs positions de la chemise et de la culasse) ont permis l'estimation de la contribution de chaque mode convection, rayonnement et frottement piston-chemise dans les pertes thermiques totales dans la chemise. A pleine charge le frottement piston-chemise représente environ 2% (7,3% à vide) de l'energie introduite soit 12% (27% a vide) des pertes totales calculées pour le piston et la chemise.
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MODELISATION DE LA COMBUSTION, DES ECHANGES THERMIQUES ET DES TRANSFERTS DE CHALEUR DANS UN MOTEUR DIESEL A INJECTION DIRECTE. CAS DES TRANSFERTS PAR CONVECTION ET PAR RAYONNEMENT
Author: Benjamin Hérout Publisher: ISBN: Category : Languages : fr Pages : 165
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Ce travail se place dans le cadre général de la modélisation du refroidissement des moteurs thermiques à combustion interne. L'étude présentée, à caractère expérimental et numérique, porte sur l'écoulement en conduite rugueuse avec transfert thermique. Cette étude est motivée par le besoin industriel d'améliorer la prédictivité des codes de calculs utilisés lors des phases de conception, avant la réalisation de prototypes mécaniques. La simulation de l'échange thermique dans les chambres de refroidissement est basée sur la modélisation de la turbulence. Des écarts sensibles ont été détectés lors du changement de version du code utilisé, ce qui a mis en évidence la sensibilité des lois de parois implémentées dans les codes commerciaux. Le choix de la géométrie cylindrique de l'écoulement est dicté par la volonté d'étudier l'écoulement et le transfert de chaleur sur paroi rugueuse par une approche expérimentale la plus simple possible, tout en conservant les caractéristiques de l'écoulement existant dans les chambres de refroidissement des moteurs thermiques (vitesse, température et état de surface). Les limites expérimentales constatées justifient l'approche par simulation numérique des grandes échelles, résolues jusqu'à la paroi. Les résultats expérimentaux obtenus montrent l'impact important de la rugosité sur la distribution de vitesse, et particulièrement dans la couche limite. L'échange thermique s'en trouve fortement modifié. Les résultats issus de la simulation des grandes échelles donnent accès aux valeurs physiques, dans la sous-couche visqueuse, inaccessible expérimentalement. L'ensemble des résultats apportés par l'étude expérimentale et numérique constitue une base de données pour l'optimisation des résultats fournis par des codes industriels. Ces résultats obtenus sur une géométrie simplifiée valident les méthodes et les techniques employées, qui pourront être appliquées ultérieurement à d'autres géométries.
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L'augmentation continue des charges de fonctionnement des moteurs à allumage commandé a conduit à l'apparition d'une nouvelle forme de combustion anormale à bas régime sous la forme d'un pré allumage. Dans des conditions de pression et de température extrêmes, une auto-inflammation incontrôlée du mélange carburé peut en effet se produire avant l'allumage normal à la bougie et conduire à une seconde auto-inflammation de type cliquetis donnant naissance à des oscillations de pression inacceptables même pour les moteurs les plus robustes. Cette anomalie constitue donc une véritable limite au downsizing des moteurs et à l'augmentation de leurs performances spécifiques. Cette dernière forme de combustion anormale est bien plus critique que le cliquetis car son apparition est aléatoire, le plus souvent sporadique et généralement très violente. Ces caractéristiques fondamentales expliquent que de nouveaux outils et de nouvelles méthodologies d'analyse aient dû être développés pour mieux caractériser le processus d'auto-inflammation dans ces conditions extrêmes. Des méthodes statistiques avancées ont notamment été mises au point pour quantifier de manière fiable la fréquence d'apparition du pré allumage malgré son caractère aléatoire. En parallèle, un travail expérimental important a été réalisé pour mettre au point une méthodologie de réalisation de visualisations endoscopiques permettant de mieux analyser le processus de combustion, et d'identifier de manière plus précise les zones préférentielles d'apparition du pré allumage dans la chambre de combustion. Les impacts des paramètres fondamentaux régissant l'auto-inflammation (aérodynamique interne, thermique et chimie du mélange) ont d'abord été analysés sur un monocylindre de recherche. Le processus de combustion a ainsi été détaillé et l'hypothèse d'une auto-inflammation spontanée en phase gazeuse a également pu être abordée en parallèle de l'analyse expérimentale par une approche numérique RANS. Une étude plus approfondie a ensuite montré qu'il était possible qu'un pré allumage conduise à une auto-inflammation de type détonation, ce qui explique qu'un nombre réduit d'occurrences suffise à détériorer irrémédiablement le moteur. La versatilité du monocylindre a également permis de mettre en évidence la diversité des phénomènes qui pouvaient conduire au pré allumage et d'autres hypothèses que celle d'une auto-inflammation spontanée en phase gazeuse ont ainsi pu être formulées. Celles-ci ont finalement été testées sur un multicylindre en appliquant des méthodologies d'essais et d'analyse éprouvées sur monocylindre. Les investigations tournées vers l'impact des réglages moteur ont alors notamment confirmé que les impacts du carburant sur les parois de la chambre de combustion conduisaient à la formation de films liquides dont les caractéristiques locales pouvaient être favorables à une auto-inflammation.
Author: Simon Le guen
Author: Simon Le guen
Author: Eric Ollivier
Author: Fabrice Foucher
Author: Salah Amara
Author: Fabienne Galzin
Author: Groupement scientifique moteurs. Colloque
Author: Nour Eddine Guerrassi
Author: MOHAMED YASSER.. MAYYANI
Author: Benjamin Hérout
Author: Jean-Marc Zaccardi