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RÉSUMÉ
La maîtrise du comportement vibratoire des moteurs à combustion interne est un enjeu industriel dont l’importance n’a cessé d’augmenter durant ces dernières années. Toute déformation dynamique non maîtrisée peut entraîner un vieillissement prématuré des composants, des pannes à répétition, sans oublier les coûts occasionnés par les temps d’arrêts. Cet article dresse une synthèse des paramètres d’architecture de la gamme des moteurs multicylindres en V permettant de réduire, à la source, les vibrations de ces machines et de minimiser ainsi ces arrêts. Ceci peut s’intégrer dans une procédure d’optimisation de l’ordre d’allumage où plusieurs aspects sont évalués via des indicateurs.
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Béchir MOKDAD : Ingénieur de l’École Nationale d’Ingénieurs de Tunis (ENIT) – Tunisie - Docteur en Mécanique, Énergétique et Ingénieries de l’Institut National Polytechnique de Grenoble (INPG) – France - Responsable de groupe Calculs Mécaniques – Liebherr-Components Colmar SAS, France
INTRODUCTION
Le développement des moteurs Diesel modernes est caractérisé par une constante tendance à l’augmentation de la puissance spécifique et du rendement. Afin de satisfaire ces demandes, le pic de pression de combustion augmente avec chaque nouvelle génération de moteurs (250 bar est l’état de l’art actuel en comparaison avec 150 bar au début des années 90). Par conséquent, la fiabilité et la durabilité des composants de base, à l’instar du vilebrequin, sont constamment en amélioration afin de pouvoir suivre cette tendance. À ces défis techniques, s’ajoutent des exigences de plus en plus rigoureuses vis-à-vis des émissions de gaz polluants, la faible consommation, ainsi que la rentabilité économique des investissements.
Face à ce contexte technico-économique exigeant, le développement de moteurs à combustion interne de hautes performances nécessite une bonne maîtrise du comportement vibratoire, ainsi que de la durabilité des différents composants tout en minimisant leurs surdimensionnements. Avec le progrès considérable des simulations numériques, ceci passe par la prise en compte d’un certain nombre de paramètres et d’aspects dès les premières phases du projet. Un des buts majeurs de cette phase de développement est, si possible, de réduire à la source, la vibration du moteur potentiellement de multiples sources, se manifester sous plusieurs formes et, surtout, causer de nombreux problèmes en fonctionnement. L’objectif essentiel de cet article est de présenter les paramètres clés de l’architecture des moteurs à combustion interne en V avec un nombre de cylindres allant jusqu’à 24. Contrairement aux moteurs en ligne et aux petits moteurs en V, l’état de l’art pour les moteurs comprenant un nombre de cylindres supérieur à 12 est beaucoup moins abouti. De plus, il existe des phénomènes peu connus ou analysés, dont on s’affranchit en se référant à l’expérience ou, même encore, au travers de coefficients de sécurité relativement confortables.
Ce travail concerne essentiellement les moteurs à combustion interne, à 4 temps, à cycle Diesel et tournant à grande vitesse de rotation jusqu’à 15 m.s-1 de vitesse moyenne des pistons. Ces moteurs sont équipés de turbocompresseurs permettant d’atteindre une puissance mécanique jusqu’à 5 MW, ce qui les rend performants dans un large panel d’applications à l’image des applications marines, minières et stationnaires comme les groupes électrogènes. Pour ne pas se restreindre à cette gamme de moteurs, beaucoup de phénomènes expliqués lors de ce travail restent également généralisables pour les moteurs à essence, les moteurs à gaz, les moteurs à 2 temps ou encore à aspiration naturelle.
Le lecteur trouvera en fin d’article un glossaire et un tableau des symboles utilisés.
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MOTS-CLÉS
angle du V crankstar ordre d'allumage flexion interne performances thermodynamiques résonance axiale
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6. Conclusion
Ce travail dresse un bilan non exhaustif des paramètres clés à prendre en compte lors des premières phases de développement de moteurs à combustion interne. La position centrale qu’occupe le choix du crankstar a été expliquée en prenant comme exemple le moteur 16 cylindres en V. L’impact de ce choix se reflète directement sur la dynamique et donc les performances des moteurs via plusieurs aspects, comme l’ordre d’allumage, l’équilibrage des forces et des moments de masses, etc. Pour quelques situations critiques et selon l’avancement du projet, des solutions techniques ont été également proposées.
Pour une évaluation finale des candidats potentiels issus de cette première phase de présélection des crankstars et des séquences d’allumage associées, des simulations plus détaillées seront à mener. Les simulations multi-corps suivies par des calculs de fatigue de vilebrequins, l’évaluation du niveau de vibration du bloc moteur et les simulations thermodynamiques constituent la suite de la première phase d’optimisation détaillée dans cette publication.
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BIBLIOGRAPHIE
-
(1) - SCHLAEFKE (K.) - Der Einfluss des V-Winkels auf die Kurbelwellen-Drehschwingungen von V-Motoren. - . Zeitschrift des VDI, no. 80, pp. 1253-1254 (1936).
-
(2) - LIGIER (J.L.), BARON (E.) - Acyclisme et vibration : Applications aux moteurs thermiques et aux transmissions. - Paris : Institut Français du Pétrole (2002).
-
(3) - MAASS (H.), KLIER (H.) - Kräfte, Momente und deren Ausgleich in der Verbrennungskraftmaschine. - Wien : Springer (1981).
-
(4) - MOKDAD (B.), HENNINGER (C.) - Irregularity instead of Harmony – Ways to improve Torsional Performances of a V20. - Proceedings of the Torsional Vibration Symposium, Salzburg (2017).
-
(5) - MOLLENHAUER (K.), TSCHOEKE (H.) - Handbook of Diesel Engines. - Berlin : Springer (2010).
-
(6) - NESTORIDES (E.J.) (Ed.) - A...
DANS NOS BASES DOCUMENTAIRES
Aachen Colloquium on Automobile and Engine Technology http://www.aachener-kolloquium.de/en/
Torsional Vibration Symposium http://torsional-vibration-symposium.com/
HAUT DE PAGE
Brevet 1 – Combined Axial- and Torsional- vibration damper, Lutz Janner, EP1288527 B8, 24 August 2001.
Brevet 2 – V16 Crankstar and firing sequences, Béchir Mokdad, German Patent Office, 10 2017 000778.0.
Brevet 3 – V-type 4-stroke internal combustion engine with 20 cylinders, Béchir Mokdad, Christoph Henninger, German Patent Office, 10 2017 000747.0.
HAUT DE PAGE
ISO8528-9 (1995), ISO Reciprocating internal combustion engine driven alternating current generating sets – Measurement and evaluation of mechanical vibration, first edition
ISO10816-6 (1995), ISO Mechanical vibration evaluation of machines vibration by measurements on non-rotating parts – Part 6 : Reciprocating machines with power ratings above 100 kW
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