Caractérisation Expérimentale de la Fraction de Gaz Résiduels et de la charge enfermée

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Autres méthodes :

Il est possible d’estimer le contenu de la chambre de combustion par des méthodes expérimentales indirectes. Leur but est d’obtenir une estimation rapide (en ligne) de la masse enfermée et / ou de la concentration de gaz résiduels pour des raisons de contrôle du moteur. En général, il est possible d’estimer le taux de gaz résiduels à partir de la masse totale enfermée. Cela nécessite la connaissance des conditions thermodynamiques du mélange enfermé à l’IVC (pression, température, masse du carburant injecté …). Cependant, l’échange gazeux ayant lieu durant le croisement de soupapes (s’il est positif) rend l’estimation de la fraction de gaz résiduels et même de la masse d’air enfermée difficile, surtout si des phénomènes complexes ont lieu à ce stade du cycle (Backflow, balayage …). Cela a incité plusieurs auteurs à développer des méthodes expérimentales pour l’estimation de la charge enfermée (masse et composition) soit à partir de mesures de pression rapides dans le cylindre [88], [89] ou par des combinaisons de mesures rapides de pression et de température au voisinage et à l’intérieur du cylindre [90], [91], [92], [93], [94] soit itérativement [95], [96], [97], [98], [99]. Nous citons les principales méthodes d’estimation :

 Algorithmes itératifs

L’estimation de la charge enfermée par des algorithmes itératifs est effectuée par de nombreux auteurs dans la littérature. L’élément essentiel dans ces estimations est la mesure de la pression cylindre. Des températures et/ou pressions mesurées en admission et échappement sont aussi utilisées comme conditions initiales de gaz frais et de gaz brulés respectivement.

Mladek et al. [96] ont utilisé la température au CA50 (angle où 50% du carburant a brulé) en partant de la pression instantanée pour ensuite estimer la masse totale et les gaz résiduels par un bilan d’énergie. Larimore et al. [97] ont proposé un algorithme itératif qui calcule la fraction de gaz résiduels en mesurant seulement la pression cylindre. La méthode consiste à exprimer la température et la masse du mélange à la fermeture des soupapes d’échappement par l’application du principe de conservation d’énergie et de la loi des gaz parfaits, puis à résoudre les équations par itérations numériques. Cette méthode est valable seulement pour les moteurs à croisement négatif de soupapes. Giansetti [98] a proposé une méthode destinée à estimer la masse de gaz dans le cylindre qui consiste à estimer la pression dans le cylindre et à la comparer à la pression mesurée de manière itérative. La méthode estime la pression par itération jusqu’à ce que la pression estimée soit représentative de la pression mesurée. Ponti et al. [99] proposent une estimation de la masse de gaz résiduels pour un moteur turbo à VVT. L’élément essentiel dans cette estimation est le bilan d’énergie à l’IVC. En utilisant ce bilan, la masse de gaz résiduels peut être calculée.

L’avantage principal des algorithmes itératifs est l’estimation rapide du contenu de la chambre en partant uniquement de mesures classiques de pression et de température, mais ils peuvent présenter des complications quand les itérations ne convergent pas. Ils sont généralement comparés aux modèles 0D ou 1D (voir Figure 33) et peuvent être utilisés pour des applications en ligne où hors ligne. Leur validité dépend en grande partie des hypothèses et des simplifications supposées.

Figure 33 Fraction de gaz résiduels calculée par l’algorithme de Mladek [96] en fonction de celle calculée par simulation 0D ( ‘*’ : résultats de l’itération, ‘o’: première estimation)

 La Méthode Delta-P [100], [101], [102]

Cette méthode introduite par Worm [102] estime la masse enfermée à partir de la mesure de la pression du cylindre dans la phase de compression. Deux points de mesures A et B sont nécessaires, la masse enfermée est déterminée par la loi de gaz parfait selon l’équation suivante := ∆(− )−

La principale difficulté rencontrée est la grande variabilité de la masse totale calculée pour des taux de résiduels élevés (Xres > 15%). Cela limite l’utilisation de cette méthode surtout dans les moteurs équipés d’EGR ou ceux qui fonctionnent souvent avec un taux élevés de gaz résiduels [100]. Cette méthode présente des grandes différences d’estimation par rapport à un modèle rapide à faibles régimes parce que le coefficient polytropique de compression n’est pas le même à différents régimes [102].

Figure 34 Fraction de gaz résiduels calculée par la méthode Delta P et par le modèle de Fox en fonction de la masse d’air enfermée [102].

 Résonance de la pression cylindre

Guardiola et al. [103], [104] ont proposé une méthodologie pour déterminer la masse enfermée dans le cylindre. Elle est basée sur la résonnance de la pression dans le cylindre. La relation entre la fréquence de résonance fi,j et la célérité du son est exploitée pour estimer lamasse enfermée=:, ,

Où D et Bi,j représentent le diamètre du cylindre et la constante de Bessel respectivement. La détermination de la masse enfermée peut être faite par les équations suivantes :

{=, ,==(Équation 22)

La composition peut être déduite en utilisant les modèles MFB de Rassweiller et Withrow [105] qui supposent une combustion complète et en utilisant des variables connues, telles que la masse de carburant injectée, la masse d’air admise. Cette méthode est précise seulement pour les moteur Diesel où des fluctuations importantes de pression cylindre ont lieu. Elle présente des résultats cohérents en comparant ses résultats aux mesures expérimentales de masse d’air enfermée (Figure 35). Figure 35 Masse d’air enfermée calculée par la méthode de résonance comparée à celle mesurée par un débitmètre d’air

Mouvements Internes et Homogénéité

Quel que soit le procédé de combustion utilisé, les mouvements aérodynamiques et la turbulence interne agissent de façon directe sur le contenu du cylindre en masse et composition durant la phase d’admission. Le niveau de turbulence intensifie les échanges de masse, chaleur et quantité de mouvement.

Table des matières

NOMENCLATURE
INTRODUCTION
1. BIBLIOGRAPHIE
1.1 Généralités : moteurs et distribution
1.1.1 Outils Expérimentaux..
1.1.2 Outils Numériques
1.1.3 Des􀄐riptio􀅶 des pri􀅶􀄐ipes fo􀅶da􀅵e􀅶tau􀇆 et du fo􀅶􀄐tio􀅶􀅶e􀅵e􀅶t d’u􀅶 􀅵oteur à 􀄐o􀅵􀄏ustio
interne 16
1.1.4 Moteurs à allumage commandé
1.1.5 Diagramme de distribution
1.1.6 Stratégies de distribution
1.2 Gaz Résiduels
1.2.1 Paramètres qui influencent les gaz résiduels
1.2.2 Effets sur les performances du moteur
1.3 Modélisation du Moteur
1.3.1 Modélisation 0D.
1.3.2 Modélisation monodimensionnelle
1.3.3 Modélisation rapide des gaz résiduels [48], [49], [50], [51]
1.3.4 Modélisation du balayage
1.4 Caractérisation Expérimentale de la Fraction de Gaz Résiduels et de la charge enfermée
1.4.1 Analyse des concentrations
1.4.2 Autres méthodes :
1.5 Mouvements Internes et Homogénéité
1.5.1 Swirl
1.5.2 Tumble
1.5.3 Jet de soupape
1.6 Conclusion
2. MOYENS EXPERIMENTAUX
2.1 Moteur
2.1.1 Mesure des lois de levée des soupapes
2.1.2 Lig􀅶es d’ad􀅵issio􀅶 et 􀄠􀄐happe􀅵e􀅶t
2.2 Procédure de prélèvement
2.2.1 Electrovannes rapides culasse
2.2.2 Pr􀄠l􀄟ve􀅵e􀅶t de l’ad􀅵issio􀅶 et de l’􀄠􀄐happe􀅵e􀅶t
2.2.3 Caractérisation des électrovannes de prélèvement
2.2.4 Système de prélèvement
2.3 Tests pour caractérisation de la fraction de gaz résiduels
2.3.1 Test de volume minimal de prélèvement
2.3.2 Etude des incertitudes
2.3.3 Disparité spatio-temporelle
2.3.4 Validatio􀅶 par 􀄐oupure d’allu􀅵age
2.4 Conclusion
3. CARACTERISATION EXPERIMENTALE DE L’ECHANGE GAZEUX
3.1 Méthode de calcul
3.2 Analyse des résultats
3.2.1 Fraction de Gaz Résiduels
3.2.2 Performances et émissions de NOx
3.3 Caractérisation du Backflow
3.4 Caractérisation du balayage
3.4.1 Co􀅶􀄐e􀅶tratio􀅶s 􀅵o􀇇e􀅶􀅶es à l’􀄠􀄐happe􀅵e􀅶t
3.4.2 Te􀅵p􀄠ratures à l’􀄠􀄐happe􀅵e􀅶t
3.4.3 Pr􀄠l􀄟ve􀅵e􀅶ts à l’􀄠􀄐happe􀅵e􀅶t
3.5 Conclusion
4. MODELISATION DU BALAYAGE
4.1 Moyens de simulation
4.1.1 Choix de maille.
4.1.2 Calibration des sous-modèles
4.2 Modélisation 0D Monozone : Mélange Parfait
4.2.1 Le régime
4.2.2 La pressio􀅶 d’ad􀅵issio􀅶
4.2.3 La VVT
4.3 Modélisation 2 zones de la chambre de combustion
4.3.1 Déplacement Parfait
4.3.2 Modèle Hybride de balayage
4.3.3 Modélisation du transfert massique
4.4 Simulation du Backflow
4.5 Conclusion
CONCLUSION GENERALE ET PERSPECTIVES
REFERENCES
ANNEXE I
Détails de la Modélisation 1D des tubulures et des soupapes
Tuyaux
Soupapes
ANNEXE II
Caractéristiques des capteurs
Analyseurs de gaz