Les phénomènes physiques et la dynamique des gaz 

Le domaine de la propulsion automobile doit faire face à des normes et des législations de plus en plus strictes. Ainsi, l’Association des Constructeurs Européens d’Automobiles (ACEA) a dû baisser à 120g les émissions de CO2 sur son cycle NEDC pour la fin 2012. A l’horizon 2020, ce niveau doit être réduit à 95g de CO2 pour tout véhicule neuf commercialisé, illustrant de fait cette volonté de diminuer les rejets de gaz à effet de serre. Dans un Moteur à Combustion Interne (MCI), diminuer les émissions de CO2 va de paire avec la consommation du véhicule. On comprend ainsi tout l’enjeu d’obtenir la meilleure définition et compréhension des phénomènes qui ont lieu lors du remplissage du moteur ; être capable de cerner, d’appréhender et pourquoi pas au final de savoir anticiper les conséquences de toute modification apportée à l’élément propulsion dans sa globalité (conduits d’admission et d’échappement, moteur, post-traitement, …) .

C’est ainsi que durant ces dernières décennies, le motoriste se trouve être de plus en plus dépendant de l’informatique puisque les études de comportement des MCI se font grâce à des outils de simulations 0D, 1D et même 3D. Cependant, il s’est révélé que ces outils semblent ne pas donner des simulations aussi précises pour toutes les configurations de moteurs existants. Notamment lors de simulation 1D où des difficultés de conception de modèle et des erreurs lors des phases de simulation / calcul peuvent apparaître, principalement sur des moteurs monocylindres de petite cylindrée (jusqu’à 125cc). En effet, les phases d’admission et d’échappement sont de nos jours toujours pilotées par des soupapes, reliant ainsi le cylindre aux circuits d’admission et d’échappement. Ces derniers sont composés d’une grande variété d’éléments comme : le boîtier papillon, des tubulures droites et coudées, des éléments filtrants, le silencieux (avec ses géométries si particulières d’enchaînement de tubes et de volumes), … Ces éléments, du fait de leurs caractéristiques et de leur disposition, vont avoir une influence directe sur la capacité de remplissage du cylindre et donc par la même occasion sur le fonctionnement du moteur. Dans le cas du monocylindre, ceci est accentué par l’absence de collecteurs d’admission et d’échappement.

Les phénomènes physiques et la dynamique des gaz 

Le moteur thermique permet d’obtenir de l’énergie mécanique à partir d’énergie thermique stockée dans un fluide grâce à un processus de combustion. Si cet état thermique est généré par le fluide moteur lui-même, on parle alors de Moteur à Combustion Interne (MCI). Et quand la transmission du travail s’effectue au moyen du déplacement linéaire d’un piston par exemple, le moteur est dit alternatif [1].

L’évolution du cycle dans les moteurs alternatifs à combustion interne est : admission (phase d’aspiration) dans le cylindre, compression, combustion et détente, et finalement l’échappement (phase d’expulsion) des produits brûlés. La compression et la détente font parties intégrantes de ce que l’on pourrait définir comme étant un procédé thermodynamique de base permettant de transformer un état thermique généré dans le processus de combustion en un travail mécanique. L’admission et l’échappement sont les phases appelées ‘processus de rénovation de la charge’, c’est durant ce laps de temps que s’effectue le ‘remplissage moteur’ [4]. L’instationnarité d’un Moteur à Combustion Interne (MCI) ainsi que le caractère pulsé des gaz dans les conduits d’admission et d’échappement proviennent pour partie des mouvements cycliques des soupapes et du piston. Les soupapes ayant pour rôle de réguler les flux d’air/gaz d’échappement au sein du moteur. Leur calage est donc très important et nécessite une grande précision, ainsi que la connaissance de leur géométrie puisque comme l’indique Piton [5], cela influe directement sur l’écoulement. Les soupapes impactent donc directement sur le remplissage moteur ; de bons calages [6] peuvent favoriser l’entrée ‘‘d’air frais’’ dans le cylindre et aider à la vidange des gaz brûlés : il est dit alors que le remplissage s’en trouve favorisé. Lorsque ce phénomène est trop important et que de l’air traverse le cylindre pour passer à l’échappement, il y a un phénomène de balayage. A l’inverse, lorsque des gaz d’échappement sont ‘‘réadmis’’ dans le cylindre, pouvant aller jusqu’à repousser des gaz (brûlés ou non) contenus dans le cylindre vers le conduit d’admission, cela s’appelle le contre-balayage.

Par des jeux de pressions amont soupape d’admission – cylindre – aval soupape d’échappement couplés aux mouvements des soupapes (levées de soupape), il est possible de faire varier significativement le remplissage d’un Moteur à Combustion Interne et donc ses performances et son brio. Il sera vu par la suite qu’il est même possible, sous certaines conditions expérimentales simples, d’obtenir un remplissage supérieur à 1, soit en d’autres termes, faire de la suralimentation acoustique.

Les méthodes de résolution 

De nombreuses études ont été menées en se basant sur des écoulements stationnaires ; cependant au sein d’un Moteur à Combustion Interne (MCI), les phénomènes mis en jeux tendent à devoir changer l’approche utilisée pour caractériser l’écoulement. Une onde de pression confrontée à un changement brusque de section, ou encore le mouvement des soupapes, abonde dans la caractérisation instationnaire de l’écoulement. Mais parce que très coûteux en ressources nécessaires (temps, capacités de calcul), les logiciels de simulations numériques tridimensionnels peuvent être employés à des fins de préparation [7] et/ ou validation [8] de modèles 0D et 1D.

Modélisations tridimensionnelles (CFD) 

Décrire un fluide et plus particulièrement son écoulement est complexe. Ainsi, la dynamique des fluides assistée par ordinateur, plus communément appelée CFD (Computational Fluid Dynamics) est une branche de la mécanique des fluides qui utilise des méthodes et des algorithmes numériques afin de résoudre et analyser les problèmes qu’impliquent les écoulements de fluide. Pour y parvenir, il faut résoudre dans les domaines spatial et temporel les bilans de masse, d’énergie et de quantité de mouvement ; aussi appelées équations de Navier – Stokes [9]. La résolution directe (Direct Numerical Simulation) est difficile à réaliser du fait de sa propre complexité mais également du temps de calcul. Pour ce faire, les équations sont décomposées et traitées selon un pas de temps et un pas d’espace, et complétées par divers modèles de turbulence comme des modèles k-ε [10], de turbulences et frottements aux parois, etc. Ces équations servant à définir les liquides / gaz sont associées à des conditions limites (interactions avec les parois, milieu ambiant,…) et permettent de simuler les situations les plus complexes tels que des flux turbulents ou transsoniques. Toujours est-il que ces modèles multidimensionnels constituent les fondements des codes CFD développés et couramment employés de nos jours aussi bien dans les entreprises qu’au niveau de recherches scientifiques. Les simulations tridimensionnelles demandant des temps de calcul importants, elles sont généralement utilisées pour l’étude d’un écoulement à travers des géométries complexes, mais jamais afin de simuler un moteur complet. Ces modélisations visant à étudier un seul élément dans le but de connaître et visualiser des informations comme la nature de l’écoulement, les zones de recirculations de flux, les pertes thermiques et de charges, …

Modélisations zéro-dimensionnelles

Avec la modélisation zéro-D, les hypothèses de simulation sont les plus restrictives; les notions de géométries sont réduites au maximum et les équations sont simplifiées au possible. La modification principale est qu’il n’y a pas de notion de maillage spatial. Différentes méthodes zéro-dimensionnelles sont abordées, de la plus simple à la plus élaborée.

Méthode de vidange-remplissage 

Les conduits d’admission et d’échappement sont des ensembles ouverts à une de leurs extrémités. De fait, la méthode de vidange-remplissage permet de simuler ces éléments comme étant des volumes ouverts combinés à une perte de charges. De la même manière, des éléments tels que le cylindre ou le répartiteur sont modélisés comme des volumes. Ainsi, pour chaque pas de temps, la résolution de l’équation de continuité (équation de Barré de St Venant) [11] permet d’obtenir le débit masse dans les volumes. Par la suite, les équations de bilan d’énergie et de conservation de la masse peuvent être résolues. Cette méthode ne détermine que les valeurs moyennes de débits, pression et température au cours du cycle moteur. La convergence étant assurée par une résolution itérative des équations. Tous les autres phénomènes, comme par exemple la dynamique des ondes de pression ne sont pas considérés lors des simulations.

Table des matières

INTRODUCTION
CHAPITRE I ETUDE BIBLIOGRAPHIQUE
I.1. – LES PHENOMENES PHYSIQUES ET LA DYNAMIQUE DES GAZ
I.2. – LES METHODES DE RESOLUTION
I.2.1. – Modélisations tridimensionnelles (CFD)
I.2.2. – Modélisations zéro-dimensionnelles
I.2.3. – Méthode des caractéristiques
I.2.4. – Modélisations unidimensionnelles (1D)
I.3. – METHODES NUMERIQUES
I.3.1. – Critère de stabilité
I.3.2. – Schémas aux différences finies
I.4. – MODELISATION DES SINGULARITES GEOMETRIQUES
I.4.1. – Extrémités fermées
I.4.2. – Extrémités ouvertes
I.4.3. – Variations de sections
I.4.4. – Coudes
I.4.5. – Jonctions
I.5. – MODELISATION DES SINGULARITES GEOMETRIQUES SPECIFIQUES AUX M.C.I
I.5.1. – Boîtier filtre à air et silencieux d’échappement
I.5.2. – Le boîtier papillon
I.5.3. – Les soupapes
I.5.4. – Géométrie du cylindre
I.6. – APPLICATIONS DE SIMULATIONS
CHAPITRE II MATERIELS ET METHODE
II.1. – PRESENTATION DU CAS D’ETUDE
II.2. – MODELISATION ET SIMULATION DES ECOULEMENTS DANS LES SYSTEMES MOTEURS
II.3. – MOYENS NUMERIQUES
II.3.1. – Le code de calcul GT-Power
II.3.2. – Le code de simulation FIRE
II.4. – DISPOSITIFS EXPERIMENTAUX
II.4.1. – Essais tube à chocs
II.4.2. – Essais banc moteur
II.4.3. – Essais soufflerie
CHAPITRE III ETUDE D’ECOULEMENTS DANS DES SINGULARITES
III.1. – ETUDES DES ECOULEMENTS AUX SOUPAPES
III.1.1. – Coefficient de décharge
III.1.2. – Soufflerie : mesures traditionnelles
III.1.3. – Soufflerie : Proximité piston
III.1.4. – Impact sur le remplissage
III.2. – MODELISATIONS TUBES / VOLUMES ET LEURS CONSTRUCTIONS GT-POWER
III.2.1. – Descriptions des géométries
III.2.2. – Modélisations
III.2.3. – Méthodologie
III.2.4. – Analyse
III.2.5. – Conclusions
CHAPITRE IV MODELISATION MOTEUR COMPLET
IV.1. – ESSAIS AU BANC MOTEUR
IV.1.1. – Comparaison des moyens de mesures de richesse : baie et sonde NGK
IV.1.2. – Etude par analyse 5 gaz
IV.1.3. – Analyses des résultats moyennés
IV.1.4. – Analyses des résultats instantanés
IV.2. – ANALYSE PAR SIMULATIONS
IV.2.1. – Analyse des résultats moyennés
IV.2.2. – Analyse des résultats instantanés
IV.3. – COMPARAISONS ESSAIS / CALCULS
IV.3.1. – Analyse des résultats moyennés
IV.3.2. – Etude fréquentielle
CONCLUSION
REFERENCES BIBLIOGRAPHIQUES
ANNEXES

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