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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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Dynamique axiale du vilebrequin
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4. Performances thermodynamiques
4.1 Remplissage et échappement
Le quatrième paramètre clés de cet article correspond aux performances thermodynamiques. En général, le remplissage des cylindres dépend fortement de la pression locale dans le répartiteur d’admission d’air durant la phase d’admission. Cette pression est fonction de la distance spatiale entre deux combustions consécutives dans un même répartiteur d’admission, donc de l’ordre d’allumage et de l’angle du V. Selon la topologie du vilebrequin, les performances thermodynamiques peuvent être significativement impactées. Afin de garantir un remplissage d’air le plus élevé et le plus homogène possible entre tous les cylindres, de multiples indicateurs seront présentés dans cette section en prenant comme exemple la configuration 16 cylindres en V, sans faire appel à des calculs détaillés de propagation des ondes de pression ou encore la durée d’ouverture des soupapes, le but étant d’introduire les aspects thermodynamiques lors de la pré-sélection des ordres d’allumage avantageux de point de vue mécanique . Dans les pratiques industrielles courantes, les simulations thermodynamiques sont réalisées une fois que la majorité des aspects mécaniques est fixée, donc sur un nombre réduit de séquences d’allumage.
Contrairement aux moteurs en ligne et aux petits moteurs en V, il est inévitable d’avoir des perturbations entre les cylindres à l’admission d’air comme à l’échappement des gaz brûlés. Un choix approprié de l’ordre d’allumage permet de trouver un compromis pour limiter les effets de ces perturbations sur les performances des moteurs. La conception des collecteurs d’admission et d’échappement impacte également, à travers les pertes de charge, ces performances. De plus, les groupements des collecteurs d’échappement dépendent du principe de suralimentation où deux systèmes existent. Le premier système est à pression constante où tous les cylindres sont connectés à un seul collecteur (figure 16). Dans ce cas, l’énergie cinétique des gaz est amortie...
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Performances thermodynamiques
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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