Impact de l’acoustique sur le remplissage d’un moteur thermique

Fonctionnement des moteurs à combustion interne 

Un moteur à combustion interne convertit l’énergie thermique dégagée par la combustion des carburants en énergie mécanique. La force générée par l’expansion des gaz due à la combustion, met en mouvement les parties mobiles du moteur tels que le piston, turbine, etc. Pour le transport routier, les moteurs à combustion interne à piston sont utilisés. Le premier moteur à combustion interne commercialisé fut développé par Jean J. Lenoir en 1859 [4]. Le nombre de mouvement réciproque du piston pendant un cycle permet de catégoriser les moteurs en 2-temps , 4-temps et la variante 6-temps où un mouvement aller-retour de piston est ajouté dans un cycle, pour diminuer la consommation de carburant et la complexité mécanique (c’est le cas du moteur mono-cylindre). Le cas qui nous intéresse ici est celui d’un moteur à 4-temps.

Fonctionnement à quatre temps

le moteur à combustion interne à quatre temps fut inventé par Nikolaus Otto en 1867 et son fonctionnement est basé sur le cycle de Beau de Rochas. Dans cette motorisation, le piston fait deux aller-retours par cycle entre le point mort bas (PMB) et le point mort haut (PMH) où la vitesse du piston est nulle et chaque cycle se décompose en 4 étapes (figure 1.1) :

— Admission
Pendant l’admission (PMH -> PMB), le piston descend et les soupapes d’admission sont ouvertes. Cela crée une dépression qui permet de remplir le cylindre avec des gaz (mélange air/essence). Pour le cas idéal, selon le cycle Otto, c’est une transformation à pression et à température constante (figure 1.2).
— Compression
Ensuite, le piston remonte (PMB -> PMH) et les soupapes d’admission et d’échappement étant fermées, la pression ainsi que la température des gaz dans le cylindre augmentent dans une transformation idéalement adiabatique.
— Explosion
Pendant la troisième étape, les gaz comprimés contenant du carburant dans le cylindre sont enflammés. Cette combustion augmente la pression des gaz dans une transformation qui est théoriquement à volume constant et fait descendre le piston (PMH -> PMB). Celui-ci fait tourner le vilebrequin et la pression des gaz diminue dans une tranformation idéalement adiabatique.
— Échappement
Finalement, en ouvrant les soupapes d’échappement, les gaz chauds dans le cylindre commencent à sortir et la pression et la température des gaz diminuent dans une transformation isochore. Le mouvement du piston (PMB -> PMH), force les gaz dans le cylindre à sortir au cours d’une transformation théoriquement isobare. En pratique, l’ouverture et la fermeture des soupapes ne sont pas effectuées exactement à PMB et PMH. Ceux-ci sont souvent avancés ou retardés par rapport à PMB et PMH pour apporter des améliorations sur la consommation et la performance du moteur.

Les éléments des lignes d’admission et d’échappement

La ligne d’admission et la ligne d’échappement sont constituées de plusieurs éléments (figure 1.3). Le circuit d’admission se compose d’un conduit d’entrée d’air, d’un filtre à air, d’un boitier papillon qui contrôle la quantité d’air, d’un compresseur, d’un refroidisseur de l’air de suralimentation et d’un collecteur d’admission qui distribue l’air entre les cylindres du moteur. La suralimentation permet d’augmenter la puissance d’un moteur sans augmenter sa vitesse de rotation et de diminuer la consommation de carburant et les émissions des polluants. Dans les moteurs suralimentés avec un turbo-compresseur, le compresseur est entraîné par une turbine animée par l’enthalpie des gaz dans le circuit d’échappement et la différence de la pression à travers la turbine. La compression de l’air au travers du compresseur augmente la température de l’air. L’utilisation d’un refroidisseur d’air de suralimentation permet de diminuer la température de l’air admis et de le densifier. Elle permet ainsi d’améliorer la performance du moteur et de réduire les cliquetis dans les moteurs à allumage commandé. Les gaz brûlés traversent la ligne d’échappement pour sortir du moteur. Mais cela n’est pas le seul rôle d’une ligne d’échappement. Elle permet aussi de réduire la nuisance sonore des gaz issus du moteur et de diminuer l’émision d’éléments polluants par l’action des éléments de post traitements catalytiques (catalyseurs d’oxydation, lean NOx trap, SCR, GPF, DPF, etc.). Elle est aussi constituée d’un collecteur d’échappement, d’EGR (Exhaust Gas Recirculation) qui fait recirculer les gaz brûlés dans le circuit d’admission. L’EGR permet de limiter les émissions d’oxyde d’azote des moteurs Diesel et de réduire les cliquetis et améliore la vaporisation du carburant dans les moteurs à allumage commandé [10]. Les circuits d’EGR sont de deux types : le prélevement des gaz d’échappement peut se faire directement au niveau du collecteur d’échappement (EGR dit haute pression) ou après que les gaz d’échappement ont traversé les systèmes de post traitements (EGR dit basse pression). L’inconvénient majeur de l’EGR haute pression dans un moteur Diesel est que les gaz sont chargés en suie et qu’ils encrassent le circuit. De plus, ils ont une température plus élevée que les gaz issus de l’EGR basse pression. Ayant une distance plus faible avec les cylindres, les gaz issus de l’EGR haute pression sont mélangés différemment avec l’air frais d’un cylindre à l’autre [5]. L’EGR basse pression interfére moins dans le fonctionnement du système de turbo [8]. Ce système garantit une diminution supérieure de la consommation et des émissions. De plus, les gaz refroidis de ce type d’EGR permet une meilleure réduction des cliquetis dans un moteur à essence. Cependant, l’inconvénient majeur de l’EGR basse pression est la baisse plus importante de la température des gaz. Ceci conduit au phénomène de condensation de l’eau des gaz recirculés aux faibles températures ambiantes [6]. Les accumulations d’eau importante vont poser des problèmes tels que les instabilités de combustion, le gel et la casse des composants. Pour éviter cela, il est possible d’implémenter un refroidisseur type air/liquide proche de la culasse (WCAC, Water-Cooled Charge-Air Cooler). Le débit d’eau de refroidissement étant ajustable, il est possible de mieux contrôler le phénomène de gel.

Gradient thermique dans la ligne d’admission

La suralimentation néccessite l’utilisation de refroidisseurs de l’air comprimé à l’admission. Historiquement, les refroidisseurs ont été du type air/air (ACAC , Charge-Air Cooler). L’air comprimé et chaud issu du compresseur se refroidit au travers de cet élement en faisant l’échange thermique avec les parois des faisceaux refroidis par l’air. La longueur de ACAC est souvent grande (∼50 cm) et c’est un élément encombrant (Figure 1.4). Le gradient thermique généré dans l’air qui traverse ACAC ne dépasse pas 5°C/cm et le ACAC est généralement situé loin de la soupape d’admission. Le refroidisseur plus moderne type air/liquide (WCAC) est de plus en plus utilisé dans les moteurs. Ceci permet un échange thermique plus efficace avec un diamètre des passages d’air de l’ordre de 1 à 2 mm. Le WCAC permet de réduire le temps de réponse du système turbo et d’améliorer la performance du moteur. Il est moins encombrant (Figure 1.5) et la longueur d’échange thermique entre l’air comprimé et le liquide de refroidissement est considérablement plus courte (5 à 10 cm) que pour le ACAC. Pour la raison liée à la condensation expliquée précédemment, les WCACs sont souvent montés proches de la soupape d’admission (par exemple, integré dans le répartiteur d’admission). Ce type de montage, du fait du volume ajouté proche soupape, diminue considérablement les gains obtenus grâce aux phénomènes acoustiques. L’efficacité de WCAC permet de réduire la température de l’air comprimé issu du compresseur sur une courte distance générant un fort gradient thermique longitudinal (20 à 30 °C/cm). Il est alimenté par une boucle d’eau froide avec une température supérieure à la température ambiante (maximum 20 °C de plus). En régulant le débit d’eau, ceci  permet de diminuer sa capacité d’échange thermique aux faibles températures ambiantes pour éviter le phénomène de gel.

Effet pulsatoire dans la ligne d’admission

Les effets pulsatoires sont présents dans la ligne d’admission, comme dans la ligne d’échappement mais la conséquence de leur présence dans le circuit d’admission sur le remplissage est plus importante. Ils permettent de faire entrer plus d’air dans le cylindre pendant l’admission et d’améliorer la vidange pendant la période de croisement (fin de la phase d’échappement où les soupapes d’admission et d’échappement sont ouvertes en même temps). Le cylindre avec le circuit d’admission étant un système acoustique, les pulsations sont bénéfiques uniquement pour certains régimes où le circuit d’admission est excité à sa résonance par la fréquence du moteur ou un de ses harmoniques et elles peuvent améliorer le remplissage du moteur jusqu’à 30% [13–15]. L’origine de ces effets est le mouvement du piston et l’ouverture et la fermeture de la soupape d’admission. Pendant l’ouverture de la soupape d’admission, la descente du piston vers PMB génére une dépression au niveau de la soupape qui se propage dans la ligne d’admission (Figure 1.7). De plus, la fermeture de la soupape d’admission à la fin de la phase d’admission du cycle, génére une onde de pression positive à cause de l’inertie des gaz (effet Kadenacy [11]). L’impact de ces phénomènes a été etudié depuis presque un siècle sur la performance des moteurs à combustion interne. L’une des premières études menées sur le sujet fut une analyse théorique sur la condition favorable au remplissage liée à l’acoustique [9]. Dans cette étude, le paramètre θt (le temps d’un aller-retour d’onde en angle de vilebrequin), a permis de comparer la fréquence de rotation du moteur avec la fréquence de résonance du circuit d’admission (un tube ouvert) et en trouver une condition favorable. Morse et al. ont étudié d’autres valeurs optimales pour θt pour un moteur à 1 cylindre [12]. Broome [13,14] a étudié ces phénomènes en ajoutant un autre paramètre adimentionné, φt , qui permet de considérer l’effet de l’inertie qui considère aussi l’effet du volume du circuit d’admission ainsi que celui du cylindre. Rodriguez et al. [19] ont couplé le cylindre et le circuit d’admission pour deux circuits différents avec une analogie mécanique et ont comparé les résultats avec les mesures expérimentales pour la pression au niveau de la soupape d’admission pour 16 vitesses de rotation de moteur. Les valeurs optimales de θt calculées avec cette méthode sont très proches de celles définies par Broome. Pour ces valeurs de θt , la ligne d’admission est mise en résonance par un des harmoniques du moteur et le remplissage est favorisé.

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Table des matières

Introduction
1 Impact de l’acoustique sur le remplissage d’un moteur thermique
1.1 Résumé
1.2 Fonctionnement des moteurs à combustion interne
1.2.1 Fonctionnement à quatre temps
1.2.2 Les éléments des lignes d’admission et d’échappement
1.2.3 Gradient thermique dans la ligne d’admission
1.3 Remplissage d’un moteur thermique
1.3.1 Effet pulsatoire dans la ligne d’admission
1.3.2 Mesure de l’effet acoustique
1.3.3 Impédance d’entrée
1.3.4 Fonction de réflexion
1.4 Objectifs de la thèse
2 Propagation d’onde dans les conduits avec gradient thermique
2.1 Résumé
2.2 Acoustique linéaire sans pertes
2.3 Propagation d’onde avec les effets visco-thermiques
2.4 Propagation d’onde en présence d’un gradient thermique
2.5 Calcul analytique de l’impédance d’entrée d’un tube étroit avec un créneau de température
2.5.1 Matrice de transfert des géométries simples
2.5.2 Une approche simplifiée de calcul d’impédance d’entrée d’un créneau de température
2.6 Calcul numérique de l’impédance d’entrée d’un tube étroit avec un créneau de température et un écoulement moyen
2.6.1 Conditions aux limites de la modélisation sous ACTRAN
2.6.2 Corrélation calcul numérique ACTRAN/calcul analytique
2.6.3 Impact de l’écoulement
2.6.4 Impédance d’entrée d’un tube étroit avec un créneau de température et un écoulement laminaire
2.7 Conclusion
3 Mis en place de la méthode TMTC sur un tube étroit
3.1 Résumé
3.2 Mesure de l’impédance d’entrée
3.3 Méthode TMTC
3.3.1 Calibration
3.3.2 Signal d’excitation
3.3.3 Isolation de la source
3.4 Validation de la méthode TMTC sans écoulement
3.4.1 Comparaison des coefficients théoriques et expérimentaux
3.4.2 Mesure d’impédance sur un tube cylindrique étroit
3.4.3 Amélioration de la calibration
3.5 Mesure de l’impédance d’entrée avec un écoulement laminaire
3.5.1 Calibration
3.5.2 Mesure
3.6 Conclusion
4 Mesure de l’impact d’un créneau de température sur la propagation d’onde
4.1 Résumé
4.2 Génération d’un créneau de température longitudinal sur un tube étroit
4.3 Mesure de l’impédance d’entrée d’un créneau de température sur un tube étroit
4.3.1 Résultats
4.3.2 Corrélation Calcul ACTRAN/essais
4.4 Impédance d’entrée d’un créneau de température sur un tube étroit portant un écoulement laminaire
4.4.1 Résultats
4.4.2 Corrélation Calcul ACTRAN/essais
4.5 Conclusion
Conclusion générale

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