Rappel sur le principe de suralimentation des moteurs à combustion interne

 Rappel sur le principe de suralimentation des moteurs à combustion interne

Afin de bien cadrer le contexte de notre étude, nous allons d’abord rappeler succinctement le fonctionnement d’un moteur thermique à quatre temps.

Le cycle d’un moteur à combustion interne à quatre temps peut se décomposer de la manière suivante :
➤ 1er temps : l’admission. La soupape d’admission s’ouvre, le piston descend et de l’air est alors aspiré dans le cylindre.
➤ 2ème temps : la compression. La soupape d’admission se referme et le piston remonte. L’air contenu dans le cylindre est alors comprimé.
➤ 3ème temps : la combustion et la détente. Le carburant est injecté dans le cylindre, et le mélange air et carburant est allumé. La combustion du mélange entraine alors une augmentation de la pression et de la température qui repousse le piston et entraine une détente des gaz.
➤ 4ème temps : l’échappement. Une fois le piston arrivé au point mort bas, la soupape d’échappement s’ouvre et le piston remonte. Les gaz brûlés sont alors poussés hors du cylindre.

L’énergie thermique est produite par la combustion du carburant avec le dioxygène de l’air dans le cylindre. La quantité d’énergie produite dépend de la quantité de mélange. Par conséquent, si on souhaite augmenter la quantité d’énergie produite au moment de la combustion, il faut augmenter la quantité de carburant injectée mais également la quantité d’air injectée pour se rapprocher des proportions stœchiométriques.

On remarque qu’il y a trois solutions possibles pour augmenter la quantité n de dioxygène admise dans le cylindre. On peut :
– Augmenter le volume V d’air admis,
– Augmenter la pression P dans le cylindre,
– Diminuer la température T dans le cylindre (ce qui est difficilement faisable).

Augmenter le volume d’air admis entraine l’augmentation de la cylindrée du moteur. Cette solution bien que longtemps utilisée tend à accroitre la taille et, par conséquent, la masse du moteur. Augmenter la pression dans le cylindre permet d’y augmenter la quantité d’air admis tout en conservant la même cylindrée. Afin d’accroitre la pression dans le cylindre lors de la phase d’admission, un compresseur est placé dans la ligne d’air d’admission du moteur. Il existe deux manières d’entrainer ce compresseur. Il peut être entrainé directement par le moteur grâce à une courroie : on parle alors de « super-charger ». Autrement, il peut être entrainé par une turbine qui puise de l’énergie dans celle contenue dans les gaz d’échappement : on parle alors de turbocompresseur. Dans cette étude seul le cas des turbocompresseurs sera abordé.

La compression de l’air par la roue du compresseur entraine un échauffement de celui-ci. L’utilisation d’un échangeur en sortie du compresseur permet de refroidir cet air, et ainsi d’augmenter sa masse volumique, avant qu’il ne pénètre dans le cylindre. La turbine est placée à l’échappement du moteur. Elle permet de récupérer de l’énergie contenue dans les gaz d’échappement. Elle est placée le plus proche possible des cylindres pour limiter les pertes thermiques. Cette implantation a pour conséquence de faire fonctionner la turbine dans un environnement très instationnaire, dominé par les pulsations créées à l’ouverture des soupapes d’échappement. Il faut noter que la tendance actuelle de réduction de la taille des moteurs appelée « Downsizing », se traduit par une réduction de la cylindrée et du nombre de cylindres. De plus en plus de moteurs ont une architecture à trois, voire deux cylindres. Cette diminution du nombre de cylindres s’accompagne en général, d’une augmentation des instabilités à l’entrée de la turbine. Une des difficultés liée à l’utilisation d’un turbocompresseur consiste à savoir coupler parfaitement le turbocompresseur au moteur. Pour optimiser ce couplage, il est nécessaire de tester le turbocompresseur dans des conditions qui s’approchent le plus possibles des conditions d’une utilisation réelle sur moteur. Les turbocompresseurs sont alors testés sur des bancs d’essais dédiés qui permettent de mesurer leurs performances sur l’ensemble de la plage de fonctionnement. Comme il est très difficile de maintenir, au niveau d’essais de réception, ou via des essais comparatifs, tous les paramètres indépendants les uns des autres, les caractéristiques d’un turbocompresseur sont toujours initialement mesurées sur des bancs d’essais spécifiques en conditions stationnaires et stabilisées. On rappelle que la terminologie utilisée dans ce mémoire correspond aux cas suivants :
♦ Pulsé ou écoulement pulsé: phénomènes liés aux fréquences de rotation du moteur (ou des cycles cylindres)
♦ Instationnaires ou écoulement instationnaires : phénomènes liés aux fréquences de rotation du turbo
♦ Transitoire ou écoulement transitoire : phénomènes liés aux phases d’accélération et /ou décélération .

Ces procédures permettent d’établir, dans un premier temps, des cartes de performances à partir desquelles il sera possible d’effectuer des comparaisons entre différentes géométries avec des conditions bien référencées et reproductibles à l’entrée du turbocompresseur. Cependant, la prise en compte des effets pulsés est une préoccupation qui a été mise en évidence depuis environ 40 ans.

Etat de l’art sur les recherches dans les turbocompresseurs de suralimentation automobile 

La différence des performances des turbocompresseurs et plus particulièrement celles des turbines observée entre les bancs d’essais usuels et le fonctionnement réel sur moteur est connue depuis longtemps et a été attribuée au moins en partie à la nature instationnaires des écoulements dans les tuyauteries des gaz d’échappement, comparativement aux conditions stabilisées et stationnaires rencontrées sur banc d’essais. Bien entendu, une grande part des différences provient également des effets de transfert thermique compte tenu des dimensions même de l’ensemble turbocompresseur, et ce n’est que lorsque ces effets ont été pris en compte (avec plus ou moins de succès) que l’on attribue généralement ces différences aux effets instationnaires. Il y a maintenant plus de 30 ans que la toute première étude portant sur le rendement d’une turbine radiale dans des conditions d’écoulement pulsé a été publiée, et il est maintenant possible faire le point sur les progrès réalisés pour être capable d’appréhender les performances en régime pulsé à partir de certaines expériences, ainsi que celles issues de la modélisation de la turbine intégrée dans un moteur turbocompressé.

Les efforts pour comprendre l’influence des pulsations d’écoulement sont limités par les difficultés d’obtention des performances en régimes instables. Aujourd’hui encore, très peu d’installations existent et répondent à ce problème. De plus en plus, cependant, les modélisations numériques permettent d’obtenir des résultats en régime non permanent. Des tentatives sont également déployées pour élaborer des méthodes d’analyse adaptées aux simulations de moteur. Dans ce paragraphe, un historique est présenté. Il a pour but de donner un aperçu de la compréhension actuelle des effets pulsés dans une turbine de turbocompresseur, les facteurs qui influencent l’obtention du rendement compte tenu des approches utilisées. C’est ainsi que sera mise en avant l’approche expérimentale retenue qui fait l’objet des travaux de thèse présentés dans ce mémoire.

Table des matières

INTRODUCTION GENERALE
1. Rappel sur le principe de suralimentation des moteurs à combustion interne
2. Etat de l’art sur les recherches dans les turbocompresseurs de suralimentation automobile
3. Les progrès dans la compréhension des écoulements pulsés
4. Les moyens du CRITTM2A
CHAPITRE I – ETAT DE L’ART SUR LES ESSAIS DES TURBOCOMPRESSEURS
I.1 Introduction sur les turbocompresseurs
I.1.1 L’étage compresseur
I.1.1.1 Introduction
I.1.1.2 Bilan énergétique sur la roue compresseur
I.1.1.3 Représentation des performances d’un étage compresseur
I.1.2 L’étage turbine
I.1.2.1 Introduction
I.1.2.2 Bilan énergétique sur la roue compresseur
I.1.2.3 Représentation des performances d’un étage turbine
I.1.3 Le carter central
I.2 Méthodologie d’essai des turbocompresseurs de suralimentation sur banc
I.2.1 Introduction
I.2.2 Architecture d’un banc d’essai turbocompresseur de type chaudière à gaz : « gas stand »
I.2.3 Instrumentation de base d’un banc d’essai
I.3 Les turbocompresseurs en régimes pulsés
I.3.1 Le comportement des turbocompresseurs
I.3.2 Les différents types de bancs d’essais pulsés existants
I.4 Bilan de la bibliographie et mise en place de la problématique propre à notre étude
CHAPITRE II – DEVELOPPEMENT DU BANC D’ESSAI PULSE
II.1 Cahier des charges et architecture de la solution choisie
II.1.1 Cahier des charges et spécifications
II.1.2 Architecture choisie
II.2 Validation du fonctionnement du banc d’essai
II.2.1 Etude de la dynamique d’ouverture des vannes
II.2.1.1 Contrôle des vannes
II.2.1.2 Validation de la réponse dynamique des vannes
II.2.2 Etude de la ligne d’air du générateur de pulsation
II.2.2.1 Réduction des retours d’onde vers la chaudière
II.2.2.2 Etude de la modulation de la forme de la pulsation
CHAPITRE III – DEVELOPPEMENT DE L’INSTRUMENTATION
III.1 Introduction
III.2 Mesure de la pression totale et du débit turbine en régime transitoire
III.2.1 Introduction, problématique lié à la mesure du débit et solution choisie
III.2.1.1 Introduction
III.2.1.2 Mesure du débit en régime transitoire par sonde fil/film chaud
III.2.1.3 Autres technique de mesure du débit en régime transitoire
III.2.1.4 Bilan et Choix du développement d’une solution
III.2.2 Modélisation acoustique
III.2.2.1 Modèle acoustique linéaire
III.2.2.2 Limite de la modélisation
III.2.2.3 Bilan et paramètre important pour le cahier des charges
III.2.3 Définition du cahier des charges de la sonde
III.2.3.1 Présentation de l’essai et de l’instrumentation
III.2.3.2 Résultats d’essai et analyse des résultats
III.2.3.3 Bilan de l’essai et conclusion
III.2.4 Simulation acoustique et optimisation de la géométrie de la sonde
III.2.4.1 Introduction : géométrie de la sonde et limite du modèle 1-D
III.2.4.2 Modélisation 3-D de la sonde
III.2.4.3 Validation de la simulation
III.2.4.3.1 Comparaison à un modèle de référence
III.2.4.3.2 Etude de sensibilité des paramètres de simulation
III.2.4.4 Géométrie choisie et résultats acoustiques
III.2.5 Fabrication et installation de la sonde de Pitot
III.2.6 Essais acoustiques de validation
III.2.6.1 Introduction et objectif de l’essai
III.2.6.2 Description de l’essai
III.2.6.3 Comparaison des référentiels de mesures
III.2.6.4 Bilan des essais
III.2.6.5 Résultats obtenus par le tube de Pitot et comparaison avec les simulations
III.2.7 Post-traitement et filtrage des mesures
III.2.8 Bilan de l’étude acoustique
III.2.9 Mesure du débit en transitoire
III.2.9.1 Introduction
III.2.9.2 Calcul du débit en transitoire
III.2.9.3 Correction de la mesure du débit
III.2.9.4 Etude de la sensibilité de la mesure du débit
III.2.9.5 Bilan
III.2.10 Essais de validation par comparaison avec un fil chaud
III.2.11 Bilan et limites de l’utilisation de la sonde
III.3 Mesure de la température en transitoire
CONCLUSION GENERALE

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