Contribution à la modélisation unidimentionnelle des soupapes de moteurs à combustion interne : études expérimentale et numérique

Contribution of internal combustion engine valve modelling : experimental and numerical studies

• Auteur / Autrice : Adrien Piton
• Direction : Pascal Chesse
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Dynamique des fluides et des transferts
• Date : Soutenance en 2011
• Etablissement(s) : Ecole centrale de Nantes
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences pour l'ingénieur, Géosciences, Architecture (Nantes)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire de recherche en hydrodynamique, énergétique et environnement atmosphérique (Nantes)

Mots clés

Mots clés contrôlés

Thermodynamique

Dynamique des fluides

Moteurs -- Combustion

Résumé

La modélisation des moteurs à combustion interne nécessite une compréhension fine de la vidange et du remplissage en air ou en mélange des cylindres. Pour ce faire, une analyse bibliographique des différents phénomènes intervenant sur ces paramètres et des modèles apparentés est faite. Une revue des différents moyens d’essais de la littérature est également effectuée. Des essais en condition stationnaire sur une culasse issue d’un moteur produit en série sont ensuite effectués. L’analyse de ces résultats est faite au regard des trois principaux modèles de soupape : Barré de St-Venant, Benson et Blair. L’étude des hypothèses de ces trois modèles ayant montré leur équivalence en écoulement sortant d’une tubulure, l’accent est missur l’impact des différentes hypothèses sur les résultats expérimentaux. Les trois modèles prenant pour hypothèse un écoulement stationnaire au col de la soupape, des essais instationnaires sont ensuite effectués. Ces données sont ensuite comparées à des résultats de simulation issus des trois précédents modèles. Les différences entre les trois modèles en écoulement sortant d’un cylindre et rentrant dans une tubulure apparaissent et sont analysées. Enfin, l’hypothèse d’absence de transferts thermiques est remise en cause. Des essais à haute température sont pour cela effectués. Les conditions d’essais ne permettant pas quantifier correctement ces transferts thermiques, un modèle d’écoulement au travers des soupapes prenant en compte les transferts thermiquesest proposé. Son étude théorique permet d’évaluer l’impact de ces transferts sur la vidange et le remplissage du cylindre.

Modelling internal combustion engine requires a good comprehension of emptying and filling of cylinders with air or gas mixture. Thus, a bibliographical study of the different phenomena interfering on these parameters and of the corresponding models ismade. A review of the different experimental device seen in the literature is also done. Tests in stationary conditions using a manufacturedcylinder head are then conducted. The analysis of these results is made using the three main valve models: Barré de St-Venant, Benson and Blair. The study of the assumptions of these models having showed theirequivalence in the case of a flow exiting a pipe, the impact of different assumptions on the experimentalresults is analysed in detail. The three models assuming a stationary flow through the valve, some dynamic tests are then performed. These experimental data are then compared to simulation results from the models. Differences between the three models in the case of flow entering the cylinders appear and are analysed. Last but not least, the assumption of non thermal flow through the valve is investigated. High temperature tests are performed. Tests conditions did not allowed highlighting the importance of thermal losses, anew model taking in account the thermal transfers is proposed. Its theoretical study allows evaluating theimpact of these transfers on emptying and filling of the cylinders.