Analysis of spray-wall impingement, fuel film spreading and vaporisation for reciprocating engine applications

par Quentin Lamiel

Thèse de doctorat en Energétique et Transferts

Sous la direction de Dominique Legendre.

Le président du jury était Christine Rousselle.

Le jury était composé de Dominique Legendre, Fabrice Lemoine, Gilles Bruneaux, Nicolas Lamarque, Raul Payri.

Les rapporteurs étaient Fabrice Lemoine, Gilles Bruneaux.

  • Titre traduit

    Analyse du mouillage, du développement et de l’évaporation d’un film liquide pour des applications moteurs automobiles


  • Résumé

    Le transport routier est responsable d’une partie des émissions de polluants sur la planète. Conscient de ce problème, des lois sur les émissions des véhicules sont régulièrement votées afin de réduire l’impact environnemental du transport automobile. Ces lois de plus en plus restrictives ont poussé les fabricants automobiles à réduire la taille des moteurs essence et à utiliser des procédés d’injection directe afin d’augmenter le ratio puissance/volume des moteurs et réduire la consommation. Cependant avec l’utilisation de l’injection directe, de nouveaux problèmes apparaissent, notamment la production de particules fines, elles-mêmes réglementées. Cette thèse s’inscrit dans ce cadre. En effet, les films liquides engendrés par l’injection de carburant sont identifiés comme principaux responsables de la production de particules. Dans ce contexte, les films liquides sont étudiés expérimentalement à l’aide d’un injecteur haute pression disposant de 3 trous. Les aspects dynamiques de création et d’étalement du film liquides sont étudiés et modélisés. S’en suit une étude thermique de l’interaction entre le spray et la paroi. Afin de caractériser les pertes de chaleur observées lors de l’impact, ces pertes thermiques étant responsables d’un délai dans la vaporisation du carburant et donc d’inhomogénéités du mélange au moment de la combustion, une modélisation de ces pertes et du transfert thermique associé est aussi proposée. Enfin une étude des taux d’évaporation de plusieurs alcanes purs puis de mélanges est proposée. Ces mesures ont servi à la calibration d’un modèle numérique d’évaporation de films fins de carburants sur des parois chaudes. Autour de ces différentes études, une campagne d’essais moteurs a été effectuée. L’objectif est de confirmer que les études expérimentales faites en laboratoires sont bien transposables (moyennant la prise de certaines précautions) aux moteurs automobiles. Les conclusions des différentes études sont finalementproposées


  • Résumé

    The road transport is responsible of a considerable amount of pollutants emissions at the worldwide scale. To tackle this issue, many laws are trying to give a framework to reduce the emissions at the global scale. The law are always more restrictive, and they oriented the car manufacturers to the reduction of their gasoline engine size. This phenomenon, called downsizing, lead to the use of direct injection in order to improve the power/volume ratio of the engine. However, with direct injection the problem of particle emissions arose. Indeed, the liquid film generated during the injection process are responsible of inhomogeneities in the combustion chamber which lead to particles formation. In this context, the study of the fuel films in the combustion chamber is a major concern. To perform this study several experimental apparatus are designed in this thesis. A high-pressure 3-hole solenoid injector is used in order to generate liquid films. The generation and the spreading of the liquid films is observed and modelled. Then the thermal aspects of the spray impingement is studied, to characterise the local heat transfer. These thermal loss are delaying the evaporation of the liquid film, which will lead to inhomogeneities in the combustion chamber and particle generation. A modelling of the heat transfer is also proposed, finally the evaporation rate of alkanes films is proposed. Mono and multicomponents films are studied, these measures were used to calibrate a numerical model for the evaporation of thin liquid films on hot walls. Together with the previous experimental investigationsand models a test campaign on a real engine has been held. The objective is to confirm that, the results produced out of the engine are transposable to the engine (with careful attention). Conclusions on the different aspects are then presented


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