BEI Moteurs à pistons Présentation du 27/01/2003

BEI Moteurs à pistons But de ce BEI: familiariser les étudiants avec les technologies des moteurs à pistons effectuer un premier dimensionnement étudier quelques phénomènes particuliers Présentation du 27/01/2003

BEI Moteurs à pistons Dimensionnement | Combustion Soupapes Injection Refroidissement Vincent Bauve Vincent Frachon Mehdi Icho Laurent Lannot Jean-Charles Mateo-Velez Vincent Poinsignon Romain Riou Maria Villanueva Madoz Gaëtan Dessoutter Matthieu Ourliac Jean-François Pages Pierre-Arnaud Beau Nicolas François Rémi Guérin Diego Perez-Jimenez Présentation du 27/01/2003

1) Etude de la combustion DIMENSIONNEMENT 1) Etude de la combustion 2) Etude de la mécanique du piston 3) Etude du cycle idéal 3) Etude du cycle idéal 4) Etude du cycle mixte 5) Résultats Présentation du 27/01/2003

DIMENSIONNEMENT: Etude de la réaction On considère une réaction unique, complète et réversible Lorsque ( représente la richesse du mélange) Lorsque Présentation du 27/01/2003

DIMENSIONNEMENT: Etude de la réaction Rapport air-fuel à fournir A partir de l ’équation-bilan, nous pouvons trouver le rapport entre la masse de fuel et la masse d ’air: Quantité de fuel et d ’air consommés dans un kilogramme de mélange: soit x la masse d ’air et y la masse de fuel. y+x=1000 => x=938 g y/x=6,64.10^-2 => y=62 g Il faut 15 fois plus d ’air que de fuel Présentation du 27/01/2003

DIMENSIONNEMENT: Etude de la réaction Quantité de chaleur dégagée par la combustion: Calculons l ’enthalpie de la réaction: Pour une richesse de 1, on trouve: Ce qui nous donne: par mole de C8H18 pour 1 kg de prémélange Présentation du 27/01/2003

DIMENSIONNEMENT: Etude de la réaction Température de fin de combustion On fait l ’hypothèse que les gaz sont parfaits et que les chaleurs à pression constate sont constantes. A richesse 1, on trouve: Ti=T0=273 K, ce qui donne: Tf=2880 K La valeur obtenue est bien supérieure à la température de flamme dans la chambre de combustion. Tflamme=2200 K La différence peut s ’expliquer par la simplicité du modèle retenu Présentation du 27/01/2003

DIMENSIONNEMENT: Etude mécanique Vitesse maximale du piston Après quelques petites simplifications , on trouve: Présentation du 27/01/2003

DIMENSIONNEMENT: Cycle idéal Présentation du 27/01/2003

DIMENSIONNEMENT: Cycle idéal Rendement : Travail : Puissance efficace (Imep) : avec Puissance : Pression maximale : avec Consommation horaire théorique : Présentation du 27/01/2003

DIMENSIONNEMENT: Cycle mixte Présentation du 27/01/2003

DIMENSIONNEMENT: Cycle mixte Les autres paramètres restent calculés de la même manière. Travail : Puissance efficace (Imep) : avec Puissance : Consommation horaire théorique : Vitesse maximale du piston : On utilise les rendements de cycle réel et mécanique pour corriger les erreurs dues aux simplifications Présentation du 27/01/2003

Les paramètres physiques retenus: Température d ’injection: 298 K gamma: 1.26 Pression d ’injection: 1 bar R: 8.314 kj:kg/K masse volumique: 1.17 kg/L DeltaH: 2805 kj/kg cv de l ’air: 0.986 kJ/kg/K

Les contraintes Elles sont données par les cahiers des charges et concernent: La cylindrée Le nombre de cylindres La puissance La vitesse maximale du piston La pression maximale

Les coefficients de correction Le rendement mécanique Le coefficient de dissociation alpha beta Rendement de cycle mixte Rendement de cycle réel Environ 0.8-0.9 Uniquement en cycle mixte

Les sorties: La cylindrée La pression maximale La température maximale La puissance La consommation La pression efficace La vitesse maximale du piston Les entrées: Vitesse de rotation Nombre de cylindres Taux de compression Course Alésage

Avion de tourisme:

Voiture de tourisme:

Formule 1:

Moto tout terrain:

Moto tout terrain

COMBUSTION 1) Objectifs 2) Carburant 3) Chimie fine 4) Temps de combustion 5) Conclusion Présentation du 27/01/2003

COMBUSTION : Objectifs Vitesse de combustion finie => étude plus détaillée Détermination du cycle réel Amélioration du dimensionnement du moteur Présentation du 27/01/2003

COMBUSTION : Carburant hydrocarbures en phase gazeuse ou liquide grande quantité d ’énergie libérée =>augmentation de T et P notre choix : iso-octane C8H18 , équation bilan (f = 1) Présentation du 27/01/2003

COMBUSTION : Carburant Capacité du carburant à réagir : K constante de réaction (Arrhénius) Indice d ’octane : caractérise l ’auto-inflammation Pouvoir calorifique : quantité de chaleur dégagée lors de la combustion ( kJ/kg ) Présentation du 27/01/2003

COMBUSTION : Chimie fine Objectifs: - Affiner la connaissance de la température de fin de combustion  effet des dissociations. - En déduire la quantité de chaleur dégagée par 1 kg de prémélange. - Influence de la richesse et de la température des gaz frais. - Prévoir le temps de combustion. Présentation du 27/01/2003

COMBUSTION : Chimie fine Utilisation des codes de calcul de CHEMKIN: - 26 espèces : CO, O, OH, CH4 ….. - plusieurs dizaines de réactions. code EQUIL : calcul de l’état final d’un système fermé État initial: PGF, TGF État final: PGB,TGB

COMBUSTION : Chimie fine Résultats de EQUIL : - Chimie simple à une réaction : T = 2850 °C avec Q = 2770 kJ/kgprém  Tfin = 3750 °C !! pour une voiture de tourisme. - Chimie complexe à 26 espèces : on obtient T = 1955 °C  Tfin = 2900 °C On en déduit que : Qcomplexe= (1955/2850)* Qsimple

COMBUSTION : Chimie fine - Influence de la richesse :

COMBUSTION : Chimie fine - Influence de la température des gaz frais :

COMBUSTION : Chimie fine Code PSR : calcul pour un débit constant, avec un temps de résidence  donné ( système ouvert ) État initial à t0 État à t0+ !! Très différent de la configuration moteur: masse injectée à t0, compression explosion détente, puis échappement à t0+.

COMBUSTION : Chimie fine Résultats de PSR :

COMBUSTION : Chimie fine Bilan : - Utilité de EQUIL: - obtention de Tfinale et Qcomplexe - Influence de f et de Tinitiale - PSR non adapté à notre étude  calculer la vitesse de combustion d ’une autre façon : partie suivante

COMBUSTION : Temps de combustion Objectifs : - calcul du temps de combustion lors d’un cycle - optimisation de la puissance fournie, grâce à un choix judicieux de l’instant d’allumage Démarche : - étude théorique - réalisation d’un code sous Excel Présentation du 27/01/2003

COMBUSTION : Temps de combustion Etude théorique : - Hypothèses : Flamme modélisée par une sphère de rayon R(t) - Bilan de masse : , S : surface de la sphère Où : Compression isentropique Présentation du 27/01/2003

COMBUSTION : Temps de combustion - Conservation de l ’énergie totale du mélange : Q : chaleur de réaction Mouvement du piston Combustion - Vitesse de flamme en fonction de la pression : - Nouveau système : Présentation du 27/01/2003

COMBUSTION : Temps de combustion Réalisation du code Excel : - Schéma numérique de discrétisation : - Paramètres et initialisation : Voiture de tourisme Formule 1 Présentation du 27/01/2003

COMBUSTION : Temps de combustion Résultats : - Combustion laminaire sans avance à l ’allumage Consommation des GF Présentation du 27/01/2003

COMBUSTION : Temps de combustion - Evolution de la pression dans le cas d’une Voiture de tourisme Présentation du 27/01/2003

COMBUSTION : Temps de combustion - Combustion turbulente sans avance à l ’allumage : Introduction d ’un facteur de plissement q tel que : ST = SLq Consommation des GF Présentation du 27/01/2003

COMBUSTION : Temps de combustion - Introduction de l’avance à l ’allumage: * Voiture de tourisme : nécessité de contrôle en temps réel Présentation du 27/01/2003

COMBUSTION : Temps de combustion * Formule 1: Présentation du 27/01/2003

COMBUSTION : Temps de combustion Calcul des temps de combustion : - Voiture de tourisme : 1,5 à 1,8 ms selon le régime choisi - Formule 1 : 0,95 ms en régime nominal 19000 tr/min 1,85 ms pour N=10000 tr/min

COMBUSTION : Conclusion Etude essentielle pour l’optimisation du fonctionnement du moteur à piston. Problèmes ? Cliquetis : Caractérisation : auto-inflammation indésirable ... Solutions pour l’éviter : - refroidir les gaz brûlés - baisser le taux de compression - jouer sur la nature du carburant utilisé Interaction flamme/paroi phénomène étudié grâce à la simulation numérique problème des flux de chaleur aux parois distance de coincement d=3d Présentation du 27/01/2003

1) Principe et géométrie SOUPAPES 1) Principe et géométrie 2) Loi de levée et diagramme de distribution 3) Dimensionnement à l ’aide d’un code de calcul Présentation du 27/01/2003

SOUPAPES: Géométrie R=5,75 cm 2 soupapes d’admission et 2 d’échappement Ra>Re Présentation du 27/01/2003

SOUPAPES: Géométrie Aire de passage : Présentation du 27/01/2003

SOUPAPES: Loi de levée AOA : avance à l ’ouverture admission angle parcouru par le vilebrequin entre l’ouverture de la soupape et le PMH RFA : retard à la fermeture admission angle parcouru par le vilebrequin entre la fermeture de la soupape et le PMB Dteta : sert à régler la dureté de la loi de levée Présentation du 27/01/2003

SOUPAPES: Loi de levée Présentation du 27/01/2003

SOUPAPES: Code FORTRAN Objectif du code :surveiller la pression en jouant sur différents paramètres tels que : le nombre des soupapes le diamètre des soupapes les lois de levée (avances, retards et pentes) Résultats : visualisations de la température, pression, volume, masse et débit massique au cours de deux cycles. Simulations faite pour un régime moteur de 14 000 tr/min Présentation du 27/01/2003

SOUPAPES: Code FORTRAN pression trop importante après l’échappement gaz brûlés non évacués diminution du rendement possibilité de retour des gaz brûlés dans la soupape d’admission Présentation du 27/01/2003

SOUPAPES: Code FORTRAN Insuffisance du débit massique lors de l’échappement : absence totale d ’admission lors du 2nd cycle dérèglement du système Présentation du 27/01/2003

SOUPAPES: Code FORTRAN Modification du diamètre des soupapes et du diagramme de distribution diamètre admission : 4 cm diamètre échappement : 3 cm AOA = 0° RFA = 20° AOE = 50° RFE = 5° Présentation du 27/01/2003

SOUPAPES: Code FORTRAN Evacuation correcte des gaz brûlés cohérence des 2 cycles Présentation du 27/01/2003

SOUPAPES: Code FORTRAN Disparition des problèmes à l’échappement Admission lors du 2nd cycle Présentation du 27/01/2003

SOUPAPES: Conclusion Plusieurs possibilités pour obtenir un bon dimensionnement Détermination de valeurs minimales pour les diamètres Visualisation de l’effet du diagramme de distribution grâce au code Visualisation de l’influence du régime Améliorations possibles du programme Présentation du 27/01/2003

INJECTION DIRECTE 1) Principe 2) Modèle 3) Simulations 4) Conclusion Présentation du 27/01/2003

INJECTION DIRECTE : Principe En injection directe, la quantité d ’essence injectée est contrôlée. Présentation du 27/01/2003

INJECTION DIRECTE : Principe Deux modes de fonctionnement : 2) Stratifié (faible charge) 1) Homogène (forte charge) 1) Homogène (forte charge) Présentation du 27/01/2003

INJECTION DIRECTE : Principe Avantages : - faible consommation - efficacité du moteur améliorée Inconvénients : - tenue à l ’usure des matériaux (bougie) - mise au point délicate (injection) - émission de NOx (zones chaudes) Présentation du 27/01/2003

INJECTION DIRECTE : Modèle Equation de la particule : Loi d’évaporation : Présentation du 27/01/2003

INJECTION DIRECTE : Simulations Influence de la loi de traînée (Régime moteur 5000 tr/min) V0=100 m/s ; injecteur co-courant ; -0.8 <  < 0 ; B=1.3 ; d0=16 microns Les deux lois de traînée donnent un comportement totalement différent Présentation du 27/01/2003

INJECTION DIRECTE : Simulations Choix de la loi de traînée (Régime moteur 5000 tr/min) V0=100 m/s ; injecteur co-courant ; -0.8 <  < 0 ; B=1.3 ; d0=16 microns Les valeurs de Re nous insitent à choisir une loi en Re/24 avec facteurs correctifs Présentation du 27/01/2003

INJECTION DIRECTE : Simulations Influence et choix de B (Régime moteur 5000 tr/min) V0=100 m/s ; injecteur co-courant ; -0.8 <  < 0 ; B=1.3 La valeur limite de diamètre de goutte injectée est d0= 27 microns Présentation du 27/01/2003

INJECTION DIRECTE : Simulations Influence et choix de B (Régime moteur 5000 tr/min) V0=100 m/s ; injecteur co-courant ; -0.8 <  < 0 ; B=2.3 La valeur limite de diamètre de goutte injectée est d0= 28 microns Présentation du 27/01/2003

INJECTION DIRECTE : Simulations Influence et choix de B (Régime moteur 5000 tr/min) V0=100 m/s ; injecteur co-courant ; 0 <  < -0.8 ; B=3.3 La valeur limite de diamètre de goutte injectée est d0= 29 microns Présentation du 27/01/2003

INJECTION DIRECTE : Simulations Influence et choix de B (Régime moteur 5000 tr/min) V0=100 m/s ; =0 ; Influence de B sur la vaporisation des gouttes Choix déterminant de B pour la prise en compte de l ’évaporation Présentation du 27/01/2003

INJECTION DIRECTE : Simulations Influence de la position et orientation de l ’injecteur V0=100 m/s ; -0 .4<  < 0.4 ; B=2.3 ; d0=28 microns ; injecteur centré Le résultat est moins bon car les gouttes viennent impacter le piston Présentation du 27/01/2003

INJECTION DIRECTE : Simulations Influence de la position et orientation de l ’injecteur V0=100 m/s ; 0 .8<  < 0 ; B=2.3 ; d0=28 microns ; injecteur contre-courant Le résultat est moins bon car les gouttes viennent impacter le piston Présentation du 27/01/2003

INJECTION DIRECTE : Simulations Influence de la vitesse d ’injection des gouttes V0=70 m/s ; - 0 .8<  < 0 ; B=2.3 ; d0=28 microns On peut augmenter la taille des gouttes mais moins bonne répartition et vaporisation Présentation du 27/01/2003

INJECTION DIRECTE : Simulations Influence de la vitesse d ’injection des gouttes V0=70 m/s ; - 0 .8<  < 0 ; B=2.3 ; d0=28 microns Difficulté à vaporiser complètement les gouttes surtout si on augmente le régime moteur Présentation du 27/01/2003

INJECTION DIRECTE : Simulations Injection de 2/3 ms pour un régime moteur de 15000 tr/min V0=100 m/s ; - 0 .8<  < 0 ; B=2.3 ; d0=28 microns Mauvaise répartition des gouttes et surtout impossibilité de les vaporiser complétement Présentation du 27/01/2003

INJECTION DIRECTE : Conclusion Temps nécessaire et disponible pour une vaporisation complète Le temps nécessaire à une vaporisation complète est : 5000 tr/min On dispose de 5ms pour vaporiser après avoir injecté le carburant d0=18 microns et donc tvap=3.24 ms On vaporise complètement avant la combustion 15000 tr/min d0=22 microns et donc tvap=4.84 ms On dispose de 5ms pour vaporiser après avoir injecté le carburant On n ’a pas le temps de vaporiser complètement avant la combustion Présentation du 27/01/2003

CONCEPTION D’UN MOTEUR A PISTON REFROIDISSEMENT DU MOTEUR PROJET INDUSTRIEL CONCEPTION D’UN MOTEUR A PISTON REFROIDISSEMENT DU MOTEUR Présentation du 27/01/2003

REFROIDISSEMENT Introduction 1. Problème du refroidissement 2. Refroidissement à air a. Résistance interne gaz chauds/paroi b. Résistance de paroi c. Résistance externe paroi/gaz frais d. Estimation du flux total évacué par le système e. Résultats 3. Refroidissement à eau Conclusion Présentation du 27/01/2003

REFROIDISSEMENT 1. Problème du refroidissement Bilan thermique Qt = QN + Qr + Qra + Qa + Qres + Qg Qt Flux de chaleur dégagé si on brûle tout le combustible QN Flux de chaleur transformée en puissance effective 40% Qr Flux de chaleur évacué au liquide de refroidissement (air ou eau ou parfois huile) 15% Qra Flux de chaleur perdu par rayonnement 5% Qa Flux de chaleur vers l'huile 5% Qres Flux de chaleur 'perdu' à cause d’une combustion incomplète (flux de chaleur réellement dégagé: Qt - Qres ) 5% Qg Flux de chaleur perdu avec les gaz d'échappement 30% Présentation du 27/01/2003

Recherche d’un compromis REFROIDISSEMENT Intérets et inconvénients du refroidissement  Moteur adiabatique  Rendement élevé  Contrainte thermique importante  Existences de points chauds  cliquetis Recherche d’un compromis Présentation du 27/01/2003

REFROIDISSEMENT Temps caractéristiques du problème ) cycle moteur e cylindre Hypothèses:  Présentation du 27/01/2003

Hypothèse: d'ailettes infinies, i.e.: REFROIDISSEMENT  ) ailettes: Hypothèse: d'ailettes infinies, i.e.: lc >> 3/m. Ainsi 3/m T Tp épaisseur de peau lc  température en bout d'ailette T Présentation du 27/01/2003

REFROIDISSEMENT : Généralités Répartition de l ’énergie thermique A pleine charge : . Chaleur à évacuer QE = 62% QR = 38% QE QM QR . Pour  donné  QR Présentation du 27/01/2003

REFROIDISSEMENT : Généralités Répartition du flux de chaleur dans un cylindre Admission Echappement 2 1 3 1. Chemise directe : 60% 2. Chambre, soupapes : 20% 3. Culasses : 20% Présentation du 27/01/2003

REFROIDISSEMENT 2. Refroidissement à air Schéma du système Chambre de combustion Paroi Ailettes T gaz T int paroi T ext paroi T air Présentation du 27/01/2003

REFROIDISSEMENT a. Résistance interne gaz chauds paroi  Résistance convective  Corrélation de Woschni d’où  Résistance radiative  Loi de Stefan Résistance interne totale Présentation du 27/01/2003

REFROIDISSEMENT b. Résistance de paroi Présentation du 27/01/2003

REFROIDISSEMENT c. Résistance externe paroi/gaz frais  Résistance thermique convective des ailettes Ailette Cylindre Bloc Moteur Présentation du 27/01/2003

 Résistances d’ailette en parallèle REFROIDISSEMENT A l’arrêt  convection naturelle externe laminaire hext=12 Wm-2K-1 A plein régime  convection forcée externe laminaire hext=142 Wm-2K-1 Sail=ab section de l’ailette pail=2(a+b) périmètre de l’ailette L longueur de l’ailette ail conductivité de l’ailette  Résistances d’ailette en parallèle Présentation du 27/01/2003

REFROIDISSEMENT  Résistance thermique radiative des ailettes  Résistance thermique totale des ailettes Présentation du 27/01/2003

REFROIDISSEMENT d. Estimation du flux total évacué par le système Résistance Gaz chauds/Paroi Résistance de paroi Résistance totale convective ailette Résistance radiative ailette Tint Text Présentation du 27/01/2003

REFROIDISSEMENT e. Résultats Présentation du 27/01/2003

REFROIDISSEMENT CONCLUSIONS Présentation du 27/01/2003

REFROIDISSEMENT : Flux de chaleur Flux de chaleur à travers la chemise du cylindre cv_int cond cv_ext paroi Côté gaz Côté eau Résistance prépondérante : Présentation du 27/01/2003

REFROIDISSEMENT : Flux de chaleur Coefficient d ’échange convectif interne Modèle de Taylor et Toong Modèle de Woschni Coefficient d ’échange convectif externe Présentation du 27/01/2003

REFROIDISSEMENT : Flux de chaleur Estimation de la température des gaz Tg Présentation du 27/01/2003

REFROIDISSEMENT : Dimensionnement Contraintes et ordres de grandeur Tp int < 150°C Tp ext < 100°C Teau  70 - 80°C et T < 6°C e et Lp  quelques mm débit d ’eau  quelques L/s Choix du circuit de refroidissement 2 branches de 4 cylindres en série + limite le débit imposé à la pompe - contraintes thermiques inhomogènes Présentation du 27/01/2003

REFROIDISSEMENT : Dimensionnement Résultats Présentation du 27/01/2003

REFROIDISSEMENT : Radiateur Allure générale Encombrement L b a Largeur : 1 m Hauteur : 50 cm Profondeur : 5 cm Forme d ’ailette et de tube Forme du circuit Présentation du 27/01/2003

REFROIDISSEMENT : Radiateur Résultats Railette=1/(SéchangePmouilléhairailette) Présentation du 27/01/2003

REFROIDISSEMENT : Pompe Puissance à fournir par la pompe P = gQH/ Localisation des pertes de charge Pertes de charge linéaires : négligeable Pertes de charge singulières : coudes, élargissements, jonctions ... Résultats Présentation du 27/01/2003

REFROIDISSEMENT : Ralenti Nouvelles contraintes Moteur au ralenti : N = 1000 tr/min Air extérieur chaud : T = 50°C Véhicule à l ’arrêt : convection naturelle hair=0.27 Ra1/4 Présentation du 27/01/2003

REFROIDISSEMENT : Ralenti Résultats Présentation du 27/01/2003