Transversalisation d'un modèle nodal de comportement thermique d'un diesel à basse température en régime transitoire

par Clothilde Charmantray

Thèse de doctorat en Thermique. Energétique

Sous la direction de Jean-Claude Champoussin.

Soutenue en 2008

à l'Ecully, Ecole centrale de Lyon , en partenariat avec Laboratoire de mécanique des fluides et acoustique (Rhône) (laboratoire) .

mots clés

• Couplage thermique-combustion
• Thermique -- Moteurs diesel
• Régime transitoire (électricité)
• Frottement

Résumé

Dans un contexte réglementaire toujours plus contraignant en termes de consommation et de pollution, la modélisation du comportement thermique des moteurs Diesel en régime transitoire à basses températures est une priorité pour les constructeurs. Des outils numériques existent mais sont difficilement applicables à différentes configurations de moteur et pour de larges conditions de fonctionnement. A partir d’un modèle thermique nodal existant et de notre propre analyse des résultats d’essais de 4 moteurs Diesel à injection Directe, de 1,5 à 2,2 litres de cylindrée, nous avons identifié trois domaines critiques pour améliorer le modèle. Le premier est la découpe nodale, les deux autres portent sur les sources de chaleur : flux aux parois de la chambre et énergie libérée par frottements. La difficulté consiste à trouver le juste compromis entre le niveau de modélisation, les données disponibles pour alimenter le modèle et la précision attendue. Nous avons d’abord proposé une découpe nodale organique robuste, adaptée aux forts gradients thermiques dans la culasse. Nous avons ensuite déterminé le juste niveau de modélisation pour décrire correctement les frottements même à des températures très basses et proposer une méthodologie pour intégrer ces résultats dans le modèle thermique. Enfin, pour améliorer la description des échanges gaz-parois durant les transitoires et prendre en compte l’influence du contrôle moteur, nous avons choisi, calibré et validé un modèle de combustion multizones, lui-même inclus dans un simulateur de cycle thermodynamique. Ce couplage thermique-combustion permet d’améliorer nettement la réponse du modèle thermique dans des conditions froides.

Titre traduit

Development of a transverse model for transient thermal behaviour of Diesel engines after a cold start

Résumé

In the context of drastic reduction of CO2 and pollutant emissions, numerical simulation is the key instrument to evaluate strategies to optimize thermal management of Diesel engines, especially during cold warm-up. Many numerical models exist, but a problem lies in their application to different engine configurations and for large operating conditions. Our work is based on an existing thermal model, and also on our own analysis of test results for 4 DI Diesel engines, of various sizes (from 1. 5 to 2. 2 liters Diesel engines). We identified 3 critical aspects in the modelling. The first is nodal cutting, the two others are relative to the description of the heat sources in the nodal model: heat flux through the combustion chamber walls and energy released by friction. The challenge is then to find the right compromise between the level of modelling, the data available to supply the thermal model (depending on the stage of engine development) and the precision expected. We have therefore proposed an organic nodal cut which correctly describes the local behaviour of the cylinder head. We have identified the good level of modelling to describe correctly friction, especially at very low temperatures and proposed a methodology to integrate these results in the thermal model. Finally, to improve the description of gaswalls exchanges during cold warm-up and take into account the influence of combustion parameters, we have chosen, calibrated and validated multi-zone combustion model, included in a thermodynamic cycle simulator. The coupling between thermal and combustion models can significantly improve the response of thermal model in cold conditions.