Bibliographie & annexes
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Auteur(s)
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Marc DEMOULIN : Responsable des calculs de mécanique des fluides thermiques et vibrations au Centre de Modélisation et d’Analyse Scientifique, Direction des études de Renault
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Les performances d’un moteur à explosion, qu’il soit Diesel ou à allumage commandé, à deux ou à quatre temps, à aspiration naturelle ou suralimenté, sont conditionnées directement par la masse d’air introduite dans le cylindre. Cette masse d’air détermine la quantité maximale de combustible que l’on peut introduire et donc l’énergie totale disponible. Cette énergie est transformée, au cours du cycle moteur, en énergie mécanique sur un arbre, mais également aussi en imbrûlés, en pertes à l’échappement et en pertes thermiques.
L’optimisation de cette quantité d’air introduite dans le cylindre nécessite l’étude des écoulements instationnaires qui ont lieu dans les systèmes d’admission et d’échappement des moteurs thermiques. Cette optimisation s’effectue en déterminant les longueurs et les sections des conduits (suralimentation par effet Kadenacy), les volumes des différents éléments (résonances de tubulures sur des volumes : filtre à air ou cylindre), ainsi que les caractéristiques de la distribution (diamètre et nombre de soupapes, calage des lois de levées, étalement, levée maximale, accélération maximale admissible, caractéristiques des lumières pour les moteurs deux temps).
Ces considérations s’appliquent aussi bien aux moteurs alternatifs qu’aux moteurs rotatifs, qui ne diffèrent que par les conceptions cinématiques de variation de volume.
Nous allons décrire tout d’abord 1 les phénomènes physiques que l’on rencontre lors de l’étude des transferts de gaz dans un moteur avec quelques exemples de sensibilité à différents paramètres, tels que la distribution, les échanges de chaleur, les pertes de charge, l’acoustique ou les variations de section. Puis nous présenterons une approche par modélisation numérique permettant d’étudier ces phénomènes. Les équations qui peuvent s’appliquer pour étudier les écoulements dans les tubulures seront décrites 2, ainsi que les principales méthodes de résolution 3 qui sont utilisées actuellement (pour plus de détails, on pourra se reporter à l’article Écoulements instationnaires [A 1 920] dans le traité Sciences fondamentales). Nous aborderons également 4 la modélisation des cylindres, des volumes, des pertes de charge singulières (papillon, coudes, etc.) et des turbocompresseurs. Nous mettrons ensuite en évidence un certain nombre de problèmes qui se posent, en particulier concernant la modélisation des transferts thermiques 5 et nous examinerons alors les principaux modèles rencontrés. Les mêmes difficultés se posent pour l’étude des pertes de charge 6, surtout en régime instationnaire, qui feront également l’objet d’un certain nombre de considérations. Ce chapitre se terminera par les méthodes de mesure 7 et les tendances actuelles 8 visant à optimiser le remplissage d’un moteur.
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Phénomènes physiques
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8. Tendances actuelles
8.1 Effet d’une modification de cylindrée
Si l’on augmente la course d’un moteur automobile sans transformer son admission ni sa distribution, on observe en général un gain de couple aux bas et moyens régimes sans que la puissance maximale augmente dans le même rapport que la cylindrée. La raison tient au fait que la perméabilité n’a pas augmenté en même temps que la cylindrée, alors que le débit d’air devrait être plus important, ce qui va entraîner ainsi une augmentation des pertes de charge et donc une limitation du remplissage à haut régime.
Aux régimes intermédiaires, les variations de remplissage vont être faibles lorsque la perméabilité relative va varier : la masse d’air frais va augmenter proportionnellement à la cylindrée.
Pour les bas régimes, le remplissage va augmenter et donc le couple augmentera plus vite que la cylindrée.
On va donc être amené à augmenter le RFA (retard à la fermeture admission) pour augmenter le remplissage à haut régime. En procédant ainsi, l’étalement (durée d’ouverture de la soupape) va également augmenter, ce qui va permettre, tout en ayant les mêmes contraintes mécaniques (accélération de came et de soupape), d’augmenter la levée et la perméabilité. On voit donc que l’on va combiner plusieurs effets. Cette augmentation de RFA devra cependant rester limitée. En effet, elle aura aussi pour conséquence de défavoriser les pleines charges à bas régime.
La valeur de l’AOA (avance à l’ouverture à l’admission) sera choisie pour avoir un compromis entre contraintes mécaniques, perméabilité et croisement (phase pendant laquelle les soupapes d’admission et d’échappement sont simultanément ouvertes ; cette phase est importante pour le contrôle de la stabilité moteur et du taux de gaz brûlés résiduels).
Une optimisation à tous les régimes ne peut se faire que dans le cadre d’une distribution variable.
HAUT DE PAGE8.2 Amélioration du rendement à charge partielle par utilisation d’arbres à cames à grands RFA
L’utilisation de grands RFA, en refoulant une plus grande quantité d’air frais en fin d’admission (en particulier à bas régime), permet...
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Tendances actuelles
BIBLIOGRAPHIE
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(1) - COURANT, FRIEDRICHT - Supersonic flow and shock waves. - Interscience vol. 1, (1967).
-
(2) - LERAT (A.), PEYRET (R.) - Sur le choix de schémas aux différences du second ordre fournissant des profils de choc sans oscillation. - Comptes Rendus Acad. Sc. Paris t.277, p. 363-366, (1973).
-
(3) - LERAT (A.), PEYRET (R.) - Propriétés dispersives et dissipatives d’une classe de schémas aux différences pour les systèmes hyperboliques non linéaires. - Rech. Aérosp. no 1 975-2, p. 61-79, (1975).
-
(4) - LERAT (A.) - Thèse de doctorat sur le calcul des solutions faibles des systèmes hyperboliques de lois de conservaton à l’aide de schémas aux différences, - (1981).
-
(5) - NUSSELT (W.) - Der Wärmeübergang in der Verbrennungskraftmaschinen. - VDI Forsch, (1923).
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(6)...
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