Contribution au développement d'un Moteur à Apport de Chaleur Externe à soufflets métalliques. Étude théorique, conception, réalisation et caractérisation expérimentale.

Contribution to the development of an Externally Heated Valve Engine with metal bellows. Theoretical study, conception, build and experimental characterization

• Auteur / Autrice : Pierre Ranc
• Direction : François Lanzetta, Philippe Nika, Eric Gavignet, Guillaume Layes
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Énergétique
• Date : Soutenance le 12/07/2019
• Etablissement(s) : Bourgogne Franche-Comté
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences pour l'ingénieur et microtechniques (Besançon ; 1991-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : FEMTO-ST : Franche-Comté Electronique Mécanique Thermique et Optique - Sciences et Technologies (Besançon) - Franche-Comté Électronique Mécanique- Thermique et Optique - Sciences et Technologies (UMR 6174) / FEMTO-ST
• Partenaire(s) de recherche : Site de préparation : Université de Franche-Comté (1971-....)
• Jury : Président / Présidente : Vincent Lemort
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : François Lanzetta, Philippe Nika, Eric Gavignet, Guillaume Layes, Vincent Lemort, Lavinia Grosu, Pascal Stouffs, Eric Delacourt, Thibaut Cartigny
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Lavinia Grosu, Pascal Stouffs

Mots clés

Mots clés contrôlés

Cogénération de chaleur et d'électricité

Compresseurs

Mots clés libres

Moteur à Apport de Chaleur Externe

Cycle Ericsson

Cycle Brayton externe

Moteur linéaire

Soufflet

Cogénération

Externally Heated Valve Engine

Ericsson cycle

Externally Brayton cycle

Linear engine

Metal bellow

Combined heat and power

Résumé

Ces travaux concernent l'étude d'un Moteur à Apport de Chaleur Externe (M.A.C.E.) de type Ericsson. Un état de l'art des études théoriques et expérimentales antérieures est présenté. Nous avons développé un modèle numérique basé sur le couplage des équations de la thermodynamique et de la mécanique. La modélisation des écoulements au travers des soupapes et des clapets repose sur l'équation de Barré-de-Saint-Venant. Ce modèle permet de simuler le comportement dynamique du moteur pour une large gamme de fonctionnement. La variation des paramètres de simulation comme le taux de compression, la charge mécanique, la température ou le coefficient polytropique permet d'analyser leur influence sur les performances du moteur. Nous avons construit un banc d'essais de M.A.C.E. à enceintes déformables constitué par des soufflets métalliques. Le compresseur, relié au détendeur par l'intermédiaire d'un bras de levier permet de diminuer l'effort de compression lors de la phase de détente. Ce système autorise également la variation de cylindrée entre les enceintes. Le prototype est instrumenté avec des capteurs de pression, de force, de débit, de déplacement et des microthermocouples afin de mesurer les variations temporelles des signaux au cours des essais. Le moteur a été testé avec une admission d'air comprimé à température ambiante afin de caractériser son fonctionnement. Des réchauffeurs électriques permettent de tester l'influence de la température à l'admission avec une valeur maximale en entrée de 450°C. La quantité de chaleur transmise à la culasse réduit alors la température effective dans l'enceinte à seulement 160°C au mieux. La comparaison des résultats théoriques et expérimentaux présente un très bon accord en termes de dynamique de fonctionnement du moteur (pression, déplacement, volume). Un système de refroidissement de la compression par injection d'eau est ajouté au banc d'essais afin de diminuer l'énergie de compression. La température de compression est alors toujours inférieure au cas sans injection. Enfin, le couplage fluidique des enceintes donne une estimation des pertes de charge de l'ensemble du banc d'essais et des niveaux de température. La technologie étudiée est prometteuse en particulier grâce à la capacité des soufflets à échanger de la chaleur avec le fluide de travail et par l'absence de fuite et de frottement liés à la segmentation.

This thesis covers the theoretical and experimental study of the Ericsson Externally Heated Valve Engine (E.H.V.E.).Specifically, it focuses on the development of a dedicated dynamic model in order to predict a wide range of the engine's capabilities.This mathematical model is made up of thermodynamical and mechanical equations. The flow which passes through the compressor valves and expander valves is modelled on the Barré-de-Saint-Venant equation. A parametric analysis of the compressor ratio, mechanical load, temperature or polytropic coefficient is done in order to assess their effects on the engine's kinematics. Furthermore, the conception and the build of a test bench is made. It consists of metal bellows that aim to replace the traditional cylinder and piston. The compressor is linked to the expander from a lever which allows the reduction of the pressure force during the expansion stroke. It also gives the possibility to alter the working volume. Pressure, force, flow and temperature sensors are placed on the engine at strategic points in order to study it. A microthermocouple is used to monitor the temperature signal in the compression and expansion phase. Initially, the engine is tested at ambient temperature to give a point of reference. Electrical heaters are used to increase the expansion temperature starting point above 450°C. It appears that a heat flow in the cylinder head, cools down the warm airflow coming from the heater to 160°C in the best case scenario. The experimental results show a really good agreement with the model, particularly if we consider the engine dynamic in terms of pressure, displacement or volume. A compression cooling system is also added to the test bench in order to reduce energy needs. In all cases, the temperature during the compression is always lower with the injection of water mist. And finally, intake expander pipes and discharge compressor pipes are connected to measure the pressure loose and temperature fluctuations of the airflow between the bellows. The studied technology is promising particularly thanks to the use of bellows that allow a superior exchange of heat, as well as avoiding leaks and friction.