Modélisation 0D - 1D de la chaîne d'air des moteurs à combustion interne dédiée au contrôle

par Guillaume Martin

Thèse de doctorat en Energétique

Sous la direction de Pascal Higelin.

Le président du jury était Georges Descombes.

Le jury était composé de Pascal Higelin, Georges Descombes, Jan Macek, Angelo Onorati, David Chalet, Alain Charlet, Vincent Talon.

Les rapporteurs étaient Jan Macek, Angelo Onorati.


  • Résumé

    La présente thèse porte sur la modélisation dédiée au contrôle des phénomènes physiques se produisant au travers des restrictions de la chaîne d’air du moteur. L’objectif est d’assurer la précision des modèles tout en limitant les temps de calcul associés. En effet, les modèles dédiés au contrôle nécessitent un temps de calcul court (proche du temps réel) afin d’être exploitables dans un processus de développement. En parallèle de cela, les normes concernant les rejets polluants sont de plus en plus drastiques, et nécessitent de prendre en compte finement les phénomènes physiques mis en jeu. Dans une première partie, les équations des phénomènes physiques liés aux turbocompresseurs radiaux sont introduites dans une approche cartographique. Les équations fondamentales des turbomachines sont développées et utilisées afin de construire une méthode d’interpolation / extrapolation de champs turbocompresseur expérimentaux incomplets. Dans un second temps, les résultats d’essais réalisés lors de la thèse sont utilisés pour identifier les transferts thermiques au sein des turbocompresseurs. Un modèle dynamique d’échange thermique est ensuite construit. Le modèle final permet d’obtenir une cartographie complète des champs compresseur et turbine, tout en prenant en compte l’impact des transferts thermiques sur les performances des turbomachines. La seconde partie porte sur la modélisation des restrictions (soupapes, changements de section…) rencontrées sur les MCI. Une méthode pour la résolution quasistatique des équations Euler 1D complètes (masse, énergie, moment) est proposée afin de construire les cartographies associées aux restrictions considérées, sans introduire de coefficient de correction expérimental. Ces cartographies sont utilisables en tant que modèles moyens ou utilisées comme conditions limites de codes aérodynamiques 1D. En cas de couplage avec un code 1D, une méthode de correction d’entropie basée sur un algorithme de linéarisation est proposée afin de réduire le temps de convergence aux conditions limites du domaine de calcul.Finalement, les développements sont validés expérimentalement en écoulements stabilisés et transitoires.

  • Titre traduit

    0D - 1D Modeling of the Airpath of internal combustion engines for control purposes


  • Résumé

    The present thesis will focus on the modeling of the airpath components for the development of the control laws. The goal is to ensure the accuracy of the models while liming the associated calculation time. Indeed, models associated to the development of control laws must ensure law calculation time in order to be compliant with automotive development processes. In the same time, pollutant emissions regulations are increasingly restrictive, which has a direct impact on the required accuracy level of the models. In a first part, the physical equations of the radial turbocharger are introduced in a datamap-based approach. The fundamental equations of turbomachines are developed and processed in order to build an interpolation / extrapolation method for incomplete turbocharger datamaps. Then, measurements from tests realized during the thesis are analyzed in order to identify the heat exchanges occurring within turbochargers. A dynamical heat exchange model is then built. The final turbocharger model allows to build complete turbocharger datamaps, while taking into account the effect of thermal exchanges. The second part focuses on the modeling of ICE flow restrictions (valves, change of pipe area…). A method is proposed in order to solve the quasistatic formulation of the Euler 1D equation (mass, energy, momentum). This allows to build datamaps associated to the studied components, without having to introduce an experimental corrective coefficient. These datamaps can be used as mean-value models or as boundary conditions of a 1D numerical scheme. In case of coupling with a 1D scheme, an entropy correction scheme based on local linearization has been developed in order to improve the convergence speed at the boundary condition. Finally, proposed developments are validated experimentally under stabilized and transient flow conditions.


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