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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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Controlling the dynamic behavior of internal combustion engines has been gaining importance in industry in recent years. Non-controlled dynamic deformation can result in premature fatigue of components and repetitive failures, with costly downtime. This article reviews the architectural parameters of multi-cylinder V-engines that allow the reduction, at source, of the vibrations of these machines and thereby minimize failures. This can be integrated in a firing sequence optimization procedure, where numerous aspects are evaluated by means of indicators.
Auteur(s)
-
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
KEYWORDS
V-angle | crankstar | firing sequence | inner bending | thermodynamic performances | axial resonance
DOI (Digital Object Identifier)
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Conclusion
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5. Dynamique axiale du vilebrequin
Le dernier aspect qui concerne la gamme de moteurs en question, ainsi que leurs longs vilebrequins, est la vibration axiale . Dans les moteurs à combustion interne, les chargements quasi statiques de torsion et de flexion issus de la combustion et des forces d’inertie sont superposés aux chargements dynamiques causés par des vibrations de torsion, de flexion et axiales. Contrairement au calcul de torsion de ligne d’arbre, la dynamique axiale et de flexion de vilebrequins ne sont pas explicitement calculées dans les pratiques industrielles actuelles, mais considérées via des coefficients de sécurité confortables (normes CIMAC).
5.1 Problématique
La vibration axiale du vilebrequin est un résultat direct à sa propre conception et des masses qui lui sont attachées à l’image du volant moteur, l’amortisseur de torsion et les bielles. Ce mode de vibration est beaucoup plus critique pour les moteurs multicylindres et leurs longs vilebrequins. Opérer à un régime de résonance axiale résulte d’une succession d’allongement et de raccourcissement du vilebrequin, ce qui provoque une augmentation excessive des contraintes au niveau des rayons de raccordements des manetons, ainsi qu’un chargement élevé sur le palier axial. De plus, des accélérations axiales côté libre du vilebrequin sont typiquement constatées. Contrairement aux mesures technologiques pour éviter les vibrations de torsion et de flexion, des solutions efficaces pour contrôler la vibration axiale des vilebrequins ne sont pas clairement identifiées par la littérature. Les amortisseurs de vibration axiale sont rarement utilisés dans la gamme de moteurs à très haute vitesse et, par conséquent, sont considérés...
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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.)...
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
DIN ISO 1204 - 1994 - Moteurs alternatifs à combustion interne – Désignation du sens de rotation...
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