Caractérisation expérimentale et modélisation des transferts thermiques au sein d'un turbocompresseur automobile : application à la simulation du comportement transitoire d'un moteur diesel à forte puissance spécifique

• Auteur / Autrice : Mickaël Cormerais
• Direction : Jean-François Hetet, Pascal Chesse
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Dynamique des fluides et des transferts
• Date : Soutenance en 2007
• Etablissement(s) : Nantes
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale mécanique, thermique et génie civil (Nantes)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire de recherche en hydrodynamique, énergétique et environnement atmosphérique (Nantes)
• Partenaire(s) de recherche : autre partenaire : Centrale Nantes

Mots clés

Mots clés contrôlés

Moteurs à combustion interne

Transfert de chaleur

Moteurs diesel -- Turbocompresseurs

Résumé

Dans le domaine de la propulsion automobile, la prise en compte des problèmes environnementaux (diminution des rejets des gaz à effets de serre), ainsi que la raréfaction des carburants fossiles ont contribué à redonner de l'importance à la baisse de la consommation. Une voie possible pour atteindre cet objectif est d'augmenter la puissance spécifique du moteur à régime constant ("Down-sizing"). La diminution du brio liée à l'augmentation du temps de réponse du moteur ("Time lag") due à l'utilisation de turbocompresseur à hauts taux de détente est actuellement un des verrous technologiques qui limitent le "Down-Sizing" des moteurs. Pour contrer cet aspect négatif, les constructeurs tentent d'adapter au mieux les turbocompresseurs aux moteurs en s'appuyant sur des codes de simulation d'un ensemble moteur complet. Une analyse des modèles inclus révèle que pour les turbocompresseurs, une interpolation dans les champs de fonctionnement des turbomachines est simplement utilisée. Dans ce cadre, la compression et la détente sont supposées adiabatiques. Cette hypothèse, dans le cas de moteurs fortement suralimentés est contredite par l'expérience, et les logiciels de simulation moteur deviennent alors imprécis pour certains points de fonctionnement. Dans ce contexte ce mémoire présente des méthodes innovantes afin de caractériser et de modéliser les transferts thermiques au sein d’un turbocompresseur et leur incidence sur le fonctionnement des moteurs à combustion interne. La démarche mise en oeuvre pour comprendre et analyser les phénomènes thermiques au sein d'un turbocompresseur se base sur une caractérisation expérimentale sur un banc d'essais turbocompresseur développé au laboratoire des puissances en jeu afin de modéliser par la suite les transferts thermiques principaux. Enfin cette démarche se termine par une étude de l'influence des transferts thermiques sur le fonctionnement d'un moteur à combustion interne en régime stabilisé et lors des phases transitoires.

In the field of the automobile propulsion, environmental issues (drastic reduction of greenhouse gases) and diminishing fossil fuels supplies enhance the need of fuel consumption reduction. To reach this goal, it is possible to increase the engine specific power at constant rotational speed (Downsizing). The alteration of the transient performance of the engine is then a limitation of the expected benefits of downsizing. Engine manufacturers try to improve turbocharger matching using simulation code. An analysis of the models included in those codes shows that the turbochargers performance calculations is based on a simple interpolation in the turbochargers maps. The major assumption is in that case that compression and expansion are adiabatic. For high turbocharged engines, experiments on test bench show that this assumption is not acceptable: simulate codes provide then inaccurate results for certain operating points. In this context, this study proposes new methods to experimentally specify and to model heat transfers in turbochargers and evaluates the ncidence of heat transfers in the turbocharger on the engine performances. The experimental set up developed in the laboratory aims to understand and evaluate the repartition of heat transfers in the different parts of the turbocharger and then to propose a model of this repartition. Finally, the influence of heat transfers in the turbocharger of the engine performances is investigated for steady and transient engine running conditions.