Soutenance mémoire
Diagramme de distribution
Le mécanisme de distribution d’un moteur thermique comprend la totalité des éléments qui déterminent l’ouverture et la fermeture périodique des espaces d’admission et d’échappement et qui permettent l’échange de gaz (l’admission des gaz frais et l’échappement des gaz brûlés).
Son rôle est de définir la loi d’évolution des sections de passage, par lesquelles passent le mélange frais et les gaz brûlés. Il a aussi le rôled’assurer l’étanchéité des cylindres pendant les phases de compression et de détente du moteur. L’influence du système de distribution est décisive sur les performances dynamiques, de consommation et de dépollution du moteur.
Pour mettre en évidence les principaux paramètres qui définissent le mécanisme de distribution du moteur, on recourt au diagramme de distribution, (figure 2.5.).
Incidence du diagramme sur le cycle basse pression
Avance à l’ouverture de la soupape d’échappement, AOE L’AOE est favorable à la vidange du cylindre. Pourtant, elle ne doit pas être trop grande pour ne pas dégrader le rendement du cycle haute pression (v. aire „a ” dans la figure 2.6, a ). Les avantages d’une ouverture anticipée sont les suivants :
– la pression des gaz brûlés est élevée, ce qui assure une vidange libre, par la détente des gaz dans le conduit d’échappement et détermine l’augmentation de l’amplitude des phénomènes acoustiques dans la tubulure d’échappement;
– au moment de l’arrivée au PMB, la section de passage au niveau de la soupape étant significative, il s’ensuit une réduction des pertes de charge pendant toute la phase de refoulement
– la pression dans le cylindre, au début de la course d’échappement est réduite, ce qui détermine la diminution du travail consommé pendantcette course, (v. aire „b” dans la figure 2.6, a ). Retard à la fermeture de la soupape d’échappement R FE RFE doit exister pour éviter la recompression des gaz résiduels brûlés à la fin de la course d’échappement (v. aire „a ” dans la figure 2.6, b) et pour assurer la vidange du volume mort en exploitant, ainsi, les éventuels phénomènes pulsatoires. En effet, l’onde de pression générée par l’ouverture de la soupape se propage dans le système d’échappement, pour se refléter dans une onde de dépression qui remonte vers la soupape. Pour être correctement exploitée, cette dépression doit assurer la vidange du volume mort, lorsque le piston est au voisinage du PMH (i.e. quand la vitesse du piston est presque nulle). Pour cela, la soupape d’échappement doit être encore ouverte. Cependant, la fermeture de la soupape d’échappement ne doit pas s’effectuer trop tardivement, pour éviter l’aspiration des gaz brûlés dans le cylindre.
Incidence du diagramme sur le cycle haute pression
Influence du RFA sur la compression
On a d’une part expliqué l’influence du RFA sur le rendement du remplissage, ce qui, évidemment a des conséquences sur le cycle haute pression. D’autre part, le moment de la fermeture de la soupape d’admission (FSA), représentant le début du processus de compression, il en résulte que sa valeur influence la pression de fin de compression (figura 2.6, d). On peut donc définir le rapport effectif de compression ε ec, /20, 22.
Mouvement tangentiel de rotation (swirl)
Le movement de swirl représente le mouvement de rotation de la masse de fluide d’admission, de l’interieur du cylindre, au plan transversal (figure 2.15).
Le movement de swirlaméliore la phase de formation du mélange, il génère une bonne et rapide homogénéisation. Le niveau d’homogénéité est étroitement lié au champ de vitesses et aux caractéristiques de la turbulence du cylindre. C’est une méthode particulière pour la dispersion très rapide du front de flamme pendant le processusde combustion.
Fermeture précoce de la soupape d’admissio n (EIVC)
Cette stratégie a comme but principal de réduire les pertes par pompage à l’admission et même d’obtenir le contrôle de la charge du moteur sans le papillon de gaz. Dans cette dernière situation, le débit de la charge fraîche qui entre dans le cylindre est réglé seulement par les soupapes d’admission qui assurent la fonction du papillon.
Pour que cela soit possible; une fois le régime defonctionnement du moteur diminué, pour réduire la quantité nécessaire de charge fraîche, on peut recourir à la fermeture précoce des soupapes d’admission, c’est-à-dire après avoir retenue dans les cylindres du moteur, la charge fraîche exigée par le régime de fonctionnement, /26, 109, 115, 116/.
La valeur du paramètre RFA doit être ainsi réduite, en même temps avec le régime de fonctionnement par rapport à celle qui caractérise la distribution classique. Quand on prend en considération des régimes très bas de fonctionnement la fermeture de la soupape d’admission va se produire avant que le piston atteigne PMB , d’où l’appellation de fermeture précoce de la soupape d’admission.
La réduction du pompage à l’admission par l’utilisation de la stratégie EIVC , de plus en plus évidente au fur et à mesure de la diminution du régime de travail du moteur, est illustrée figure 2.19.
Ouverture précoce de la soupape d’admissio n (EIVO)
Par l’utilisation de la stratégie EIVO on veut accroître la période de croisement des soupapes d’admission et d’échappement pour faciliter le remplissage des cylindres pour les charges importantes du moteur, à des effets bénéfiques sur le couple moteur à des régimes réduits et sur la puissance à de hauts régimes. Par le contrôle rigoureux de la phase de croisement, les gaz d’échappement peuvent être recyclés à intérieur, au niveau maximal, pour combattre les produits polluants, surtout NOx et HC, mais pour diminuer aussi la consommation de combustible pour les charges particules, /23, 24, 28/.
Quand la charge du moteur est importante et le régime réduit, par l’accroissement d’AOA , en gardant la durée totale d’ouverture de la soupape d’admission, le RFA est aussi diminué, d’où résulte la réduction ou même l’élimination des écoulements inverses des gaz frais du cylindre.
Le résultat est un couple moteur supérieur à 7-10% par rapport au moteur classique, pour les mêmes régimes de fonctionnement.
En même temps, en avançant le moment d’ouverture des soupapes d’admission, l’échange de gaz autour de PMH est amélioré, et le recyclage interne des gaz d’échappement peut être optimisé pour obtenir un bon compromis entre la consommation de combustible du moteur et le niveau des émissions polluantes.
Fermeture tardive de la soupape d’admissio n (LIVC)
Une autre stratégie de réduction des pertes par pompage repose sur la fermeture tardive de la soupape d’admission. De cette façon, une partie de la charge fraîche admise dans les cylindres est refoulée dans le collecteur d’admission au commencement de la course de compression et la réduction du pompage dérive de la possibilité de maintenir une ouverture importante du papillon de gaz pendant le fonctionnement du moteur. On peutainsi obtenir un fonctionnement du moteur conforme au cycle Miller-Atkinson , qui présente un rendement supérieur au cycle Otto dans certaines situations, /109/.
Si la stratégie LIVC est utilisée au ralenti ou aux régimes très bas, quand le besoin de charge fraîche est très réduit, la FSA devrait se produire avant même à la fin de la course de compression (au voisinage de PMH). Dans ce cas, il n’est plus possible de bénéficier d’une avance à l’allumage optimale et la pression au seinde la chambre de combustion est très faible.
Cette dégradation du degré de compression conduit àune augmentation de la consommation de carburant et des émissions polluantes, /14/. C’est pourquoi, la stratégieLIVC est surtout destinée aux régimes importants et charges élevées du moteur.
Solutions constructives
Les premières solutions de distribution variables, caractérisées par leur simplicité constructive et technologique ont été, comme c’était tout à fait naturel, appliquées à la production de série. Cette catégorie appartient auxdécaleurs, des composants qui représentent de nos jours un standard dans le domaine du moteur à allumage commandé. Les distributions variables occupent la seconde place caractérisée par un surplus de complexité constructive, une efficacité élevée par rapport à celle des décaleurs. La distribution commutable repose sur l’utilisation des cames multiples et elle a permis une approche à efficacité élevée du ZUF(v. § 1) sans influencer les hautes performances, en diminuant ainsi les contraintes du compromis, qui caractérise la distribution classique.
Après avoir appliqué ces deux technologies, décrites ci-dessus, le pas suivant avait été représenté par la distribution variable de type continu , qui peut modifier d’une manière continue la hauteur de levée et la durée d’ouverture des soupapes. Elle réussit à aborder à efficacité maximale chaque point de fonctionnement du moteur, en éliminant les compromis réalisés par les technologies antérieures.
Ce chapitre n’a pas un caractère exhaustif; il se propose de présenter quelques solutions que l’auteur a considérées représentatives, pour lacatégorie à laquelle elles appartiennent. On présentera aussi la solution qui constitue l’objet d’étude de cette thèse (la solution Hara ).
Variation du calage
Le changement du calage de l’arbre moteur et les arbres de distribution, peut être obtenu à l’aide des décaleurs. Du point de vue de la construction, les décaleurs sont presque toujours des systèmes de type hydraulique où la mise en marche s’effectue par la pression d’un fluide de travail, qui; dans la plupart des cas est même l’huile utilisée pour la lubrification du moteur. Le pilotage du système est confié à l’ordinateur du moteur et se réalise, généralement par une électrovanne à trois voies.
distributions variables continues
Par rapport aux solutions présentées auparavant, les distributions qui présentent une variation continue des hauteurs et des phases de levée des soupapes ont l’avantage de pouvoir optimiser chaque point de fonctionnement du moteur, d’où résultent des avantages supplémentaires qui portent sur les émissions polluantes et la consommation de carburant. On peut s’imaginer qu’un tel moteur réunit une multitude de moteurs; un pour chaque point de fonctionnement.
Pour cette catégorie, la solution BMW Valvetronic est représentative. En 2001, la firme BMW commence à équiper quelques moteurs à essence, à quatre cylindres et configuration DOHC, d’un système de distribution variable Valvetronic, qui permet le fonctionnement du moteur sans l’intervention du papillon de gaz, le contrôle de la charge était effectué par la variation continue et simultanée des hauteurs de levée et des durées d’ouverture, pour les soupapes d’admission, /8/.
Le système de distribution est complété avec le double décaleurs Double VANOS , placés au niveau des arbres à cames d’admission et d’échappement pour améliorer au plus les performances du moteur d’où résulte le tandem Valvetronic- Double VANOS , /8, 30/.
Le but primordial de ce système est représenté parla réduction considérable des pertes par pompage à l’admission, qui caractérise ZUF (v. § 1)pour le moteur à allumage commandé.
Le système Valvetronicest composé d’un levier intermédiaire, placé entrel’arbre à cames d’admission et ses soupapes correspondantes, figure2.28, /8, 30, 65, 135/.
Conclusions
Sans dépendre de la solution constructive adoptée, la distribution variable est capable de modifier le fonctionnement général du moteur à allumage commandé, surtout pour la ZUF (v. § 1.1). La variation continue des paramètres de la distribution, par les stratégies présentées dans ce chapitre peut conduire à la satisfaction simultanée des prestations du moteur en termes d’économie, de dépollution, et de performances.
Donc, en ce qui concerne le développement à l’avenir du moteur à allumage commandé, à partir de nouvelles contraintes (sévérité des normes, grande diversité des points de fonctionnement et une fréquence de fonctionnement accrue aux bas régimes v. § 1), on peut dire que la distribution variable sera de plus en plus présente, dans la production de série.
On peut expliquer l’intérêt pour la distribution variable , comme une conséquence aussi des synergies entre celle-ci et d’autres technologies appliquées déjà à ce type de moteur (GDI 13 , Ecosuralimetation/Downsizing) ou en train d’être appliquées (CAI 14 ). Sans avoir un caractère exhaustif, du point de vue de la présentation des méthodes de variation et des solutions constructives, ce chapitre présente aussi la complexité des phénomènes qu’on doit avoir en vue pour valider une solution technique. Il s’agit notamment des phénomènes complexes d’écoulement, normaux ou inverses, du mélange frais et des gaz brûlés qui peuvent être abordées en détail, par l’intermédiaire des simulations numériques (v. § 3 et 4).
Caractéristiques du phénomène de turbulence
La turbulence consiste dans des structures tourbillonnaires de différentes dimensions appelées des tourbillons. Elle se distingue par un écoulement chaotique, mais pas tout-à-fait aléatoire. La description et l’interprétation de l’écoulement turbulent se réalisent en appliquant des méthodes statistiques sur les mesures de vitesse effectuées sur un moteur entraîné ou dans des conditions concrètes de fonctionnement pour plusieurs cycles moteur. La vitesse mesurée dans la chambre de combustion à un moment t est considérée, comme la somme de deux composantes :
1) une composante à valeur moyenne W constante (pour un régime d’écoulement permanent) ou variable (pour un régime fluctuant.);
2) une composante fluctuante W ɶ qui décrit le mouvement irrégulier des particules de fluide.
Modélisation de la turbulence
La modélisation de la turbulence est l’un des trois éléments-clé de la CFD, (les deux autres étant l’engendrement du domaine de calcul etle développement de l’algorithme.) Il est difficile de réaliser un modèle mathématique capable d’approximer le comportement physique des écoulements turbulents à grande précision. Cette conclusion n’est pas surprenante, puisque notre objectif est celui d’approximer un phénomène extrêmement compliqué.
Ces dernières décennies, plusieurs modèles du phénomène de turbulence ont été élaborés Il n’y a pas de modèle unique, qui décrive complètement le processus de ce phénomène naturel.
Chaque modèle de turbulence dispose de conditions particulières qui le caractérisent et le différencient des autres modèles et le rendent adapté à un type de simulation. Ils ont leurs avantages et leurs inconvénients. La suite CFD ANSYS-Fluent, utilisée dans cet ouvrage pour faire des simulations, offre plusieurs modèles de turbulence. Pour prendre finalement une décision à l’égard du choix du modèle de calcul, onva passer en revue différents modèles. Les arguments pour et contre seront traités pour chaque modèle, tout comme les limites et les équations de base.
Les modèles de turbulence qui seront présentés reposent sur la méthode moyennée de Reynolds RANS ,par laquelle les petites fluctuations de turbulence doivent être négligées.
Un désavantage de cette méthode est celui d’apporter un terme supplémentaire dans les équations de base de telle sorte qu’il est nécessaire de réaliser une fermeture du modèle pour les nouvelles inconnues. Ces équations de Reynolds, Navier-Stokes déterminent le transport des quantités moyennes d’écoulement, avec un domaine complet des échelles de turbulence, cellesci modélisées comme des propriétés moyennes de l’écoulement qui ne changent pas trop dans l’espace et dans le temps. Cette manière d’envisager les choses réduit considé rablement l’effort et les ressources de calcul, donc elle est utilisée dans plusieurs applications pratiques dans l’ingénierie .
Modèle de turbulence standard k ε −
Un autre type de modèle de turbulence est représenté par celui formé de deux équations.
L’un des plus simples modèles de ce type est le modèle de turbulence k ε − , où k estl’ énergie cinétique de turbulence et ε le taux de dissipation de celle-ci. Ce modèle a été proposé par Launder et Spalding, /32/ et il est fréquemment utilisé dans la simulation des écoulements turbulents, parce qu’il est en général facile à appliquer, robuste et économique. Les deux équations de transport pour l’énergie cinétique et la dissipation sont résolues pour former une grandeur, une échelle caractéristique non seulementpour la vitesse turbulente, mais aussi pour la longueur. Ces échelles (dimensions) représententla viscosité turbulente. Les équations pour l’énergie cinétique k et le taux de dissipation ε ont cette forme, /32/:
Expérimentation
Les recherches expérimentales permettent de validerdes résultats théoriques et de calibrer ces modèles. Le processus de recherche est, en général un système à réaction en boucle fermée, la recherche expérimentale étant organisée autour d’une intense activité au niveau théorique.
Dans l’ouvrage /9/ on a été présenté des expérimentions détaillées sur le moteur prototype. Notamment sur le cycle de combustion, objet d’étudede cette thèse de doctorat (v. § 2.2.3.), pour mettre en évidence les aspects caractéristiques qui découlent du fonctionnement du moteur au ralenti, à la hauteur minimale de levée de la soupape d’admission. En résumé, les recherches expérimentales effectuées ont mis en évidence une amélioration du fonctionnement du moteur, pour la loi minimale de levée de la soupape d’admission, la consommation de carburant et la dispersion cyclique étant respectivement diminuées de 11% et de 18% dans les conditions d’une avance à l’allumage de 30°Vb. Ces résultats ont été obtenus, malgré un pompage accentué, grâce à une combustion également mieux placée sur le cycle.
Une des causes de ces résultats est due à l’intensification de la turbulence à l’entrée des gaz frais dans les cylindres du moteur, ayant pour conséquence l’intensification de la vitesse d’écoulement, quand on utilise la loi minimale de levée de la soupape d’admission. Une autre cause mentionnée dans l’ouvrage /9/, est la réduction de la masse de gaz brûlés résiduels, comme conséquence d’un EGR interne diminué pour la loi minimale, par rapport à la loi maximale.
Comme il l’a déjà été mentionné, cette thèse se propose d’éclaircir un peu ce domaine, par l’approche de la technique de simulation CFD. Plus exactement, le point de fonctionnement abordé dans l’ouvrage /9/, sera simulé par l’intermédiaire de la technique CFD. Cette première approche CFD qui constitue d’ailleurs, le but primordial de la thèse consiste dans la simulation numérique aux niveaux 2D et 3D, de l’écoulement de l’air atmosphérique dans le cylindre du moteur prototype. On veut donc trouver des informations plus claires, en ce qui concerne le champ de vitesses au niveau de la portée de la soupape et de l’EGR interne.
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Table des matières
Liste des figures
Liste des tableaux
Liste des symboles
1. Introduction et motivation
1.1. Intérêt pour le thème abordé
1.2. Objectifs de la thèse
1.3. Conclusions
2. Etat de l’art: la distribution à soupapes
2.1. Remplissage. Analyse fonctionnelle
2.1.1. Perméabilité. Caractéristiques de la loi de levée de soupape
2.1.2. Diagramme de distribution
2.1.2.1. Incidence du diagramme sur le cycle basse pression
2.1.2.2. Incidence du diagramme sur le cycle haute pression
2.1.2.3. Incidence du diagramme sur les émissions p olluantes
2.1.3. Aérodynamique interne du moteur
2.1.3.1 Mouvement axial – tumble
2.1.3.2. Mouvement tangentiel de rotation (swirl)
2.2. Distribution variable
2.2.1. Méthodes de variation
2.2.1.1. Fermeture précoce de la soupape d’admissio n (EIVC)
2.2.1.2. Ouverture précoce de la soupape d’admissio n (EIVO)
2.2.1.3. Fermeture tardive de la soupape d’admissio n (LIVC)
2.2.1.4. Ouverture tardive de la soupape d’admissio n (LIVO)
2.2.1.5. Variation du calage (VVT)
2.2.1.6. Variation de la levée de la soupape d’admi ssion (ViVL)
2.2.2. Réalisations constructives
2.2.2.1. Variation du calage
2.2.2.2. Variation de la hauteur de levée/durée d’o uverture
2.3. Conclusions
3. Etat de l’art: Modélisation et simulation numérique des écoulements
3.1. Caractéristiques du phénomène de turbulence
3.2. Equations de l’écoulement
3.3. Modélisation de la turbulence
3.3.1. Modèle de turbulence Spart-Allmaras
3.3.2. Modèle de turbulence standard k – ε
3.3.3. Modèle de turbulence k – εRNG
3.3.4. Modèle k – εréalisable
3.3.5. Modèle k – ωstandard
3.3.6. Modèle de turbulence k – ωSST
3.3.7. Approche LES
3.4. Conclusions
4. Expérimentation
4.1. Présentation du banc d’essai moteur
4.2. Détermination des lois de levée de la soupape
4.3. Influence de la loi de levée de la soupape d’admission et de l’ouverture du papillon de gaz
4.4. Conclusions
5. Simulation numérique de l’écoulement de l’air dans les cylindres du moteur à levée de soupapes d’admission variable
5.1. Géométrie. Conditions initiales. Conditions limites
5.1.1. Caractéristiques géométriques des modèles bidimensionnel et tridimensionnel
5.1.2. Discrétisation du domaine de calcul
5.1.3. Conditions initiales. Etablissement des conditions limites
5.2. Modèle bidimensionnel
5.2.1. Analyse statistique et motivation du choix d’une série de données par rapport à l’expérimentation
5.2.2. Analyse des résultats de simulation numérique CFD
5.3. Modèle tridimensionnel
5.3.1. Analyse des résultats de la simulation numérique CFD
5.4 Conclusions
6. Conclusions finales
Contributions personnelles
Perspectives
Bibliographie
Curriculum vitae
