Caractérisation et modélisation de la thermique d'un moteur Diesel et de sa ligne d'échappement

par Betty Belhassein

Thèse de doctorat en Energétique, thermique, combustion

Sous la direction de David Chalet.

Soutenue en 2014

à l'Ecole centrale de Nantes , dans le cadre de École doctorale Sciences pour l'ingénieur, Géosciences, Architecture (Nantes) , en partenariat avec Laboratoire de recherche en hydrodynamique, énergétique et environnement atmosphérique (Nantes) (laboratoire) .

Le président du jury était Georges Descombes.

Le jury était composé de Pascal Chesse, Romain Lebas, Guillaume Alix.

Les rapporteurs étaient Céline Morin.

mots clés

• Moteur diesel
• Ligne d'échappement
• Systèmes de post-traitement
• Suralimentation par turbocompresseur
• Mesures de températures
• Thermocouples
• Methode de reconstruction de température
• Thermomanagement
• Moteurs diesel

Résumé

Cette thèse porte sur la caractérisation et la modélisation des transferts thermiques à l’échappement d’un moteur Diesel suralimenté en conditions de fonctionnement stationnaires comme transitoires. Pour répondre à cette problématique, une méthodologie s’appuyant à la fois sur des essais expérimentaux spécifiques et l’utilisation de la simulation système a été mise en place. Pour le cas particulier des conditions de fonctionnement transitoire, une méthode de reconstruction de températures est évaluée. Dans l’optique d’appliquer cette reconstruction, des thermocouples de plusieurs diamètres sont placés dans deux dispositifs expérimentaux : un générateur de pulsations et un banc d’essais moteur. Le générateur de pulsations permet de caractériser l’erreur dynamique des thermocouples. Des essais ont été effectués sur banc moteur instrumenté pour caractériser les échanges thermiques ayant lieu dans la ligne, en particulier au niveau de la turbine et des éléments de post-traitement. Pour caractériser l’influence de ces derniers sur les échanges, deux lignes d’échappement ont été étudiées au cours de ces essais. Le turbocompresseur et les lignes d’échappement sont modélisés selon une approche système prenant en compte les transferts thermiques et qui a été validée à partir de ces essais. Le cas de la modélisation turbocompresseur a également été comparé à l’approche usuelle qui a servi de référence pour estimer les apports de l’approche en terme de représentativité des phénomènes thermiques.

Titre traduit

Modeling and characterization of the heat transfers in the exhaust line of a diesel engine

Résumé

This Ph. D. Thesis deals with the characterization and modeling of heat transfers in the exhaust line of a turbocharged Diesel engine when working in steadystate and transient conditions. To deal with this issue, a methodology is developed based on specific experimental testing and the use of system simulation. Concerning transient operation, a temperature reconstruction method is tested. For using this method, thermocouples of different diameter are put in two experimental test benches : a pulse generator and an engine test bench. The dynamic error can be characterized by the pulse generator. Experimental testing is done on the engine test bench to characterize the heat exchange in the exhaust line, especially in the turbine and in the aftertreatment systems. To characterize the influence of the latter, two exhaust lines are studied. The turbocharger and the exhaust lines are modeled with a 0D approach taking into account the heat transfers and validated with the experimental data. The turbocharger modeling is compared to a reference approach in order to estimate the contribution of the proposed approach in terms of representativeness of the heat transfers