Contribution à l'étude de l'écoulement de gaz au travers de l'interface piston-segment-cylindre

par Hassan Saghir

Thèse de doctorat en Transferts thermiques

Sous la direction de Philippe Arquès.

Soutenue en 1992

à l'Ecully, Ecole centrale de Lyon .

mots clés

• Segment piston
• Dispersion cylindrique
• Transfert de chaleur
• Gaz -- Écoulement

Résumé

L'étude de l'interface piston-segments-cylindre illustre les interactions complexes qui existent entre les différentes pièces ou composantes d'un moteur auxquelles les ingénieurs prêtent une attention particulière. L'objectif du présent travail est de fournir un outil de simulation permettant de prédire les conséquences d'une modification de construction ou de fonctionnement du moteur, concernant l'interface piston-segments-cylindre. Une analyse détaillée du comportement cinématique et dynamique du système d'étanchéite piston-segments-cylindre d'une part et la simulation du cycle moteur d'autre part, nous ont permis d'élaborer un module d'écoulement de gaz au travers de la segmentation du piston. Ce modèle inclut le calcul du mouvement instantané des segments dans leurs gorges respectives. Outre les solutions numériques, nous avons proposé une solution analytique de l'équation du mouvement axial des segments. D'autre part, l'écoulement de l'huile au travers de la segmentation a été analysé et une estimation de la quantité d'huile remontant dans la chambre de combustion a été proposée. Dans la partie expérimentale de cette these, après avoir décrit les différents dispositifs de mesure, les résultats des essais expérimentaux effectués avec ou sans combustion sur un moteur reel monocylindre sont compares aux resultats fournis par le modèle que nous avons élaboré. Cette comparaison a montré une bonne concordance entre la mesure et le calcul pour differents jeux de segments et pour différentes conditions opératoires. L'écart entre les mesures et les calculs ne dépasse pas 5%. Nous avons développé, par ailleurs, une etude statistique simple des dispersions des cycles de pression dans la chambre de combustion ; cette etude nous a permis de tenir compte de la dispersion cyclique dans les simulations numériques.

Résumé

The results of this study illustrate the complex interactions between engine components which the engineer must take into account. The aim of this thesis was to create a computer model to predict the consequences of modifications to engine construction, and those of engine running conditions, on engine performance. A kinematical and dynamical analysis of the piston/piston rings/cylinder wall system was coupled to an engine simulation model to develop a model of gas flow through the piston ring crevices. We have an analytical method to solve the equation for the axial movement of a piston ring, which the model uses to calculate the piston ring positions. The oil flow around the piston rings was studied and an estimation of the flow rate of oil leaking into the combustion chamber was proposed. The experimental analysis was performed on a single cylinder spark-ignition engine. The measured blowby gas measurement and the model predictions were compared, and were found to be in reasonable agreement over a wide range of engine operating conditions and ring sets. We also carried out a simple statistical study of cyclic dispersion in the combustion chamber, which allowed us to incorporate the effect of cyclic dispersion in numerical simulation.