Soutenance mémoire
À l’ère moderne, le développement du moteur à combustion interne est soumis à des pressions provenant autant de la concurrence entre manufacturiers que de la régulation gouvernementale à l’échelle mondiale. Afin de minimiser les pertes par friction à une même puissance, les manufacturiers tendent à favoriser des chambres à combustion compactes et d’utiliser des turbocompresseurs (Revier, 2006). Par contre, une telle augmentation de la pression moyenne effective (PME) entraine une plus grande tendance du phénomène de cliquetis (souvent appelé knock). Il s’agit du résultat de la réflexion d’ondes de pression causé par l’autoallumage du mélange en amont du front de flamme (Galloni, 2012). Pour continuer l’amélioration de ces machines thermiques et pour améliorer leurs techniques de contrôle, il faut aborder le problème du cliquetis. Ce phénomène prend une importance primaire dans l’étude des moteurs à combustion interne pour des raisons d’émissions, d’efficacité de combustion et d’intégrité structurelle du moteur (Boubal et Oksman, 1998). Dans l’industrie automobile, c’est surtout la production d’émissions polluantes qui pousse la réduction du cliquetis, car elles sont devenues une priorité sociopolitique et une régulation plus sévère est observée partout dans le monde (Karman et al., 2014). Pour la réalisation d’un système de transport à faibles émissions polluantes, la combustion anormale doit être minimisée car elle en constitue une source importante (Zhen et al., 2012). Le cliquetis est encore un phénomène mal compris dû à la complexité de la cinétique chimique qui la gère (Heywood, 1988; Zhen et al., 2012). À des fins pratiques, la détection prend donc un rôle important dans le contrôle moteur. Le phénomène se caractérise différemment d’un moteur à l’autre et les méthodes de détection sont choisies en conséquence des requis de l’application.
Fondamentaux de la combustion normale
Le fonctionnement d’un moteur à combustion interne à quatre temps suit la séquence générale de l’admission, compression, détente, et de l’échappement. Lors d’une combustion normale, l’allumage intentionnel du mélange cause l’initiation d’un front de flamme qui consommera graduellement la grande majorité de la charge admise à des vitesses de flamme de l’ordre de 1 m/s (Heywood, 1988). La méthode de formation du mélange ainsi que l’inflammation du mélange varie par type de moteur, mais ils engendrent tous un dégagement de chaleur afin de produire un travail mécanique.
Les différents phénomènes de combustion et leurs cheminements . Elle présente la définition de la combustion normale ainsi que les types de combustion anormales qui sont détaillés dans la section qui suit. Le développement de ce chapitre se fait surtout pour l’allumage commandé mais ce qui est traité dans le mémoire s’applique à tous types de moteurs à combustion interne sujets au cliquetis.
Fondamentaux de la combustion anormale
La combustion anormale, sous forme d’allumage par point chaud ou de cliquetis, a le désavantage de nuire à la performance d’un moteur, de pouvoir l’endommager en plus de produire un bruit désagréable (Baumgarten, 2006; Hsu, 2002). En premier temps, il est nécessaire de différencier le cliquetis et l’allumage par point chaud : le cliquetis est de l’auto-allumage local du mélange imbrulé dû aux hautes pressions et températures avant l’arrivée du front de flamme, et l’allumage par point chaud est une déflagration originaire d’une surface ou de particules ayant une température suffisamment élevée pour initier la combustion (Heywood, 1988).
L’allumage par point chaud peut survenir soit avant ou après l’allumage voulu du mélange causant un dégagement de chaleur non optimal. Dans certain cas, il peut même initier le phénomène de cliquetis (Heywood, 1988). Le point chaud surgit souvent d’une accumulation de particules chaudes (encrassement) sur la paroi du cylindre qui allume le mélange dès que la richesse locale atteint les limites d’inflammabilité, donc indépendamment de l’avance à l’allumage. Lorsque l’allumage par point chaud se fait avant l’allumage prévu du mélange, le dégagement de chaleur prématuré entraîne une augmentation de la pression et de la température causant le cliquetis, une diminution du couple et une diminution de l’efficacité thermique par une hausse de transfert de chaleur à la structure (Abu Qudais, 1996; Boubal et Oksman, 1998; Borg, 2006; Pan et al., 1998).
Le cliquetis se produit lorsqu’il y a un ou plusieurs noyaux d’autoinflammation dans le mélange imbrûlé en amont du front de flamme qui causent la propagation d’un front de pression dans la chambre à combustion (Heywood, 1988). Les ondes reflétées dans la chambre transmettent ensuite l’énergie au bloc moteur pour produire le son audible que l’on appelle knock. Lors de ce phénomène, le dégagement de chaleur se produit quasi-instantanément et peut aboutir en un front de flamme local ayant une vitesse pouvant approcher 2 000 m/s (Samimy et Rizzoni, 1996). L’onde de choc se reflète dans la chambre et produit de grandes oscillations à haute fréquence (au-delà de 5 kHz) de la trace de pression (Draper, 2012; Hudson et al., 2001; Borg, 2006). Il faut noter que la position du capteur de pression et l’origine de l’autoallumage auront un effet prononcé sur les fluctuations dans la pression enregistrée (Boubal, 2000). C’est donc une mesure indirecte de l’énergie dégagée par le phénomène, qui ne peut pas être mesurée par une analyse de pression locale (Borg, 2006; Boubal, 2000). C’est aussi pourquoi le seuil de cliquetis doit être établi empiriquement pour chaque moteur à la suite d’une étude approfondie (Hsu, 2002; Galloni, 2012; Brecq et al., 2003; Zhu et al., 2005).
Considérations physiques
Le cliquetis est caractérisé par l’autoallumage de certaines régions du mélange imbrulé dans les endroits où la température et la pression atteignent les limites d’inflammabilité locale (Borg, 2006). Les ondes de choc produites réverbèrent dans la chambre de combustion et causent une résonance dans un des modes naturels de la structure. La signature fréquentielle perçue est donc constante pour un moteur donné et indépendante de la vitesse du vilebrequin (Hsu, 2002; Galloni, 2012). Les ondes, initialement supersoniques et à amplitude constante, se reflètent et établissent des ondes stationnaires dans la chambre avant de s’atténuer jusqu’à la vitesse sonore locale du mélange tout en diminuant d’amplitude (Heywood, 1988). Le signal de pression mesuré est donc dépendant de l’emplacement des capteurs par rapport à l’apparition du phénomène (Böhme et Konig, 1994). Les nouveaux fronts de flammes se répandent ensuite et consomment rapidement le mélange imbrulé avant que le front de flamme principale puisse l’exploiter (Heywood, 1988; Baumgarten, 2006).
Chimiquement, le cliquetis est causé par un auto-allumage des gaz imbrûlés qui provoque une explosion thermique dans le mélange (Baumgarten, 2006). Une explosion, dans ce contexte, est une réaction chimique qui libère une plus grande quantité d’énergie que son environnement immédiat peut absorber (Heywood, 1988; Galloni, 2012). Donc la température locale augmente, accélérant exponentiellement les vitesses des réactions et cause une explosion qui créé des ondes de choc (Baumgarten, 2006). tirée de l’étude de Kawahara et Tomita (2009), capte un événement de cliquetis dans la chambre de combustion. La séquence d’images montre le passage de l’onde de pression avant qu’elle atteigne la position du capteur de pression. La trace de pression montre ensuite l’effet de l’onde stationnaire résultante sur la pression locale au capteur.
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Table des matières
INTRODUCTION
CHAPITRE 1 REVUE DE LA LITTÉRATURE
1.1 Fondamentaux de la combustion normale
1.2 Fondamentaux de la combustion anormale
1.2.1 Considérations physiques
1.2.2 Paramètres influant sur le cliquetis
1.3 Méthodes de détection
1.3.1 Méthode acoustique et auditive
1.3.2 Vibrations mécaniques
1.3.3 Capteur de pression
1.3.3.1 Domaine temporel
1.3.3.2 Domaine fréquentiel
1.3.3.3 Distributions bilinéaire temps-fréquence
1.3.4 Probes optiques et détecteurs d’ions
1.4 Méthodes de contrôle
1.5 Problématique de recherche
CHAPITRE 2 CARACTÉRISATION DANS LE DOMAINE TEMPS-FRÉQUENTIEL
2.1 Méthode
2.1.1 Montage expérimental
2.1.2 Traitement du signal
2.1.3 Densité spectrale énergétique : méthode de Welch
2.1.4 Pseudo distribution Wigner-Ville réaloué
2.2 Résultats et Analyse
2.2.1 Discussion des signaux bruts : domaine temporel
2.2.2 Analyses temps-fréquence de la pression
2.2.3 Analyses temps-fréquence des vibrations
2.2.4 Incertitude expérimentale
2.3 Conclusion du chapitre
CHAPITRE 3 DÉTECTION PAR SIGNAL DE PRESSION
3.1 Méthode
3.1.1 Méthode de référence : énergie réallouée, Er
3.1.2 Méthodes candidates : par trace de pression filtré
3.1.3 Détection du début du cliquetis
3.1.4 Comparaison statistique des indices
3.2 Résultats et Analyse
3.2.1 Comparaison des distributions de probabilité
3.2.2 Évaluation des indices par pression
3.2.3 Identification de la position d’initiation
3.2.4 Incertitude expérimentale
3.3 Conclusion du chapitre
CHAPITRE 4 DÉTECTEUR PAR VIBRATIONS
4.1 Méthode
4.1.1 Identification des fréquences : 5 conditions cliquetées
4.1.2 Détection de cliquetis par vibrations
4.1.2.1 Indépendance des fréquences d’ordre moteur
4.2 Résultats et Analyse
4.2.1 Identification des fréquences : vibrations mécaniques
4.2.2 Corrélation des vibrations au cliquetis sur la plage d’opération
4.2.2.1 Suppression des ordres moteurs du le signal de vibrations
4.2.2.2 Définition de l’indice de cliquetis par vibrations
4.2.3 Incertitude expérimentale
4.3 Conclusion du chapitre
CONCLUSION
RECOMMANDATIONS
