Bibliographie & annexes
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RÉSUMÉ
La législation européenne en matière de pollution limite les émissions de CO2 des voitures. Lorsqu'on analyse le fonctionnement des moteurs, il apparaît que la formation et les traitements des émissions polluantes sont essentiellement associés à des processus thermochimiques complexes fortement dépendants des paramètres thermiques. L’aspect énergétique des transferts thermiques au sein des moteurs est donc de plus en plus un élément dimensionnant.
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Lire l’articleAuteur(s)
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Alain ALEXANDRE : Responsable Analyse Système au Laboratoire d’Études Thermiques de l’ENSMA
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Ludovic TOMASELLI : Responsable Métier Adaptation Échanges Thermiques et Transferts Fluides PSA Peugeot Citroën - Direction Plates-formes techniques et Achats
INTRODUCTION
La situation européenne en matière d’émissions de CO2 (représentative de la consommation) par les voitures particulières est conditionnée par l’engagement des constructeurs dans le cadre de l’ACEA (Association des constructeurs européens d’automobiles) visant à limiter ces émissions à 120 g/km d’ici 2012.
L’analyse de la surconsommation des moteurs à combustion interne corrobore le caractère prédominant des paramètres thermiques associés aux trajets de courtes distances inférieures à 3 km (47 % de l’utilisation courante d’un véhicule) conduisant à une surconsommation de 80 % par rapport à un trajet de 10 à 50 km.
À cela s’ajoutent les législations antipollution. Grâce à l’amélioration des technologies d’injection, à une meilleure connaissance des phénomènes de combustion et à l’avènement des systèmes de post-traitement, les émissions polluantes ont été réduites progressivement et ne représentent aujourd’hui que le dixième du niveau des années 1980. Là encore, la formation et les traitements des émissions polluantes sont essentiellement associés à des processus thermochimiques complexes fortement dépendants des paramètres thermiques (la tendance est à l’utilisation généralisée d’éléments de catalyse nécessitant des températures de fonctionnement supérieures à 300 ˚C).
L’aspect énergétique des transferts thermiques au sein des moteurs est donc de plus en plus un élément dimensionnant de ces machines.
Cette étude se compose de deux articles :
-
[BM 2 900] Analyse des transferts énergétiques dans les moteurs automobiles ;
-
Modélisation des transferts thermiques dans les moteurs automobiles.
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Conclusion sur l’analyse énergétique
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4. Transferts thermiques
Après avoir décrit les deux principales sources de chaleur que sont les transferts internes entre le gaz et les parois, ainsi que les frottements, il est bon de comprendre de quelle manière ces flux d’énergie s’évacuent.
Les pics de température des gaz de combustion dans un moteur à combustion interne sont de l’ordre de 2 500 K. Les températures maximales admissibles par les matériaux sont, elles, largement inférieures. Il est dans ce cas nécessaire de mettre en place des systèmes de refroidissement, notamment pour la culasse, les chemises et les pistons. Dans les zones où les flux énergétiques transmis sont très importants, jusqu’à 10 MW/m2, les contraintes thermomécaniques occasionnées peuvent alors causer des phénomènes de fatigue de matériau (criques) critiques pour la tenue des pièces mécaniques. Ces phénomènes sont occasionnés à la fois par des niveaux de températures trop importants (supérieurs à 400 ˚C pour les pièces en fonte et 300 ˚C pour celles en aluminium) et des gradients thermiques spatiaux. On considère généralement que l’ensemble des pièces mécaniques doit être maintenu à des températures inférieures à 180 ˚C ; au-dessus de cette température les caractéristiques en tenue des matériaux commençant à se dégrader.
Afin de garantir la bonne tenue thermomécanique du moteur, plusieurs systèmes sont mis en place pour permettre l’évacuation du trop plein de puissance et ainsi maintenir des températures admissibles vis-à-vis des contraintes thermomécaniques.
Trois voies principales existent pour l’évacuation de ces puissances :
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le circuit de refroidissement par circulation d’eau glycolée ;
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le circuit de lubrification par circulation d’huile ;
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les échanges directs vers l’extérieur par convection et rayonnement.
4.1 Transferts thermiques entre les parois et le fluide de refroidissement
Afin d’évacuer la puissance thermique transmise aux parois par les gaz de combustion et ainsi garantir la bonne tenue aux contraintes thermomécaniques des organes mécaniques, un fluide de refroidissement circule au sein du carter-cylindre et de la culasse.
Le circuit interne au moteur, appelé noyau d’eau, est complexe et résulte de nombreux...
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Transferts thermiques
BIBLIOGRAPHIE
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(1) - HABSCHI (F.) - Étude expérimentale et numérique des transferts de chaleur en contact lubrifié localisé en vue d’une application aux moteurs - . Thèse de Doctorat de l’Université de Paris VI, 1992.
-
(2) - SITKEI (G.), RAMANAIAH (G.V.) - A rational approach for calculation of heat transfert in Diesel engines - . SAE Paper no 720027, 1972.
-
(3) - BORMAN (G.), NISHIWAKI (K.) - Internal combustion engine heat transfert - . Progress in energy and combustion science, Vol. 13, pp. 1-46, 1987.
-
(4) - OVERBYE (V.D.), BENNETHUM (J.E.), UYEHARA (O.A.), MYERS (P.S.) - Unsteady heat transfer in engines - . SAE Trans., Vol. 69, pp. 461-194, 1961.
-
(5) - SEAL (W.J.), TAYLOR (D.H.C.) - Spatial variation of heat transfer to piston and liners of some medium speed Diesel engines - . Proc. Inst. Mech. Eng., Vol. 185 17/71, pp. 203-218, 1971.
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