La première partie de l’étude expérimentale a été menée sur moteur transparent pour obtenir une bonne caractérisation de l’aérodynamique interne. La géométrie présentée sur la figure4.1est composée à l’admission de deux plénums en amont du cylindre, permettant grâce à leur grand volume de tranquilli-
ser l’écoulement avant que les gaz frais ne soient admis dans le moteur. Le volume N˚2 est également équipé d’une bande chauffante permettant d’imposer au fluide la température d’admission désirée. A l’échappement, une vanne de contre-pression a été mise en place entre le cylindre et le gros volume, permettant de simuler la contre-pression induite par l’utilisation d’un turbocompresseur sur les moteurs downsizés.
FIG. 4.2: Lois de levées des soupapes d’admission et d’échappement pour la configuration optique.
Les lois de levées de soupapes pour cette configuration sont présentées sur la figure4.2. Le croise- ment de soupapes a été volontairement minimisé (la hauteur maximale de croisement est de 0.17mm), permettant de ne pas le prendre en compte dans les simulations 3D.
Concernant l’instrumentation du moteur, il est équipé d’un grand nombre de capteurs pour suivre l’évolution de la pression et de la température aussi bien dans les tubulures que dans la chambre de combustion. La pression cylindre instantanée est par exemple enregistrée au cours du temps grâce à un capteur rapide implanté dans la culasse, et peut être comparée avec la pression prédite par les calcul LES. Enfin, le principal avantage de ce moteur est d’être équipé de différents accès optiques en quartz comme représentés sur la figure4.3. On retrouve :
� un piston transparent pour réaliser des visualisations dans le plan passant par l’injecteur ;
� un cylindre transparent permettant le passage d’un plan laser pour la réalisation de PIV par exemple ;
� deux accès optiques de part et d’autres de la culasse (également appelés hublots) pour des visua- lisations au niveau du toit de culasse.
Différents diagnostics optiques ont ainsi pu être utilisés pour caractériser l’écoulement interne, à commencer par de la vélocimétrie par images de particules ou Particle Image Velocimetry (PIV) pour un fonctionnement en moteur entraîné sans injection. Dans ce cas, l’écoulement est ensemencé en particules en amont du collecteur d’admission, particules qui peuvent être suivies grâce à l’utilisation d’un plan
FIG. 4.3: Schéma des différents accès optiques présents sur le mono-cylindre optique du projet ICAM-
DAC.
laser au travers du cylindre quartz. Une caméra placée perpendiculairement à ce plan récupère alors une image grâce à la diffusion de Mie. Après traitement des données pour corriger les réflexions du plan laser sur les parois du cylindre ou encore la courbure induite par la forme même du cylindre, l’évolution du tumble est visible en réalisant une moyenne d’ensemble sur 200 cycles moteur, i.e. une moyenne de 200 images prises à un même instant pour chaque cycle moteur.
FIG. 4.4: Evolution de l’aérodynamique interne du moteur optique (point rumble) au cours du temps
La figure 4.4 représente l’écoulement à différents instants du cycle pour un point à 1200 tr/min (sans combustion). Les visualisations sont moyennées sur un échantillon de 200 cycles consécutifs, et l’origine temporelle est fixée par rapport au PMH combustion. L’analyse de ces champs de vitesses met bien en évidence la présence de fortes vitesses durant la pleine ouverture des soupapes d’admission (coin supérieur droit de chaque image) entre -280˚V et -200˚V. Le mouvement de tumble (cf.1.6b, sec1.1) est aussi clairement identifiable entre -180˚V et -120˚V. Une fois le PMB dépassé, le piston remonte faisant augmenter la pression et la température des gaz. Les gouttes de traceurs disséminées dans l’écoulement commencent alors à s’évaporer et il est difficile d’obtenir des visualisations de bonne qualité. On atteint ainsi les limites de ce diagnostic, mais les visualisations optiques sont néanmoins exploitables durant le début de la compression et jusqu’à environ -100˚V avant le PMH.
Une analyse PIV similaire a été menée sur le deuxième point de fonctionnement de référence choisi (1800 tr/min et 20 bars de PMI). Cependant, ces nouvelles conditions de régime et de charge entraînent des problèmes d’évaporation prématurée, mais aussi de dépôt des gouttes de traceur sur les parois du cylindre transparent. Ces problèmes ont engendré une diminution du signal enregistré par la caméra, ce qui a considérablement altéré les résultats issus des PIV malgré des démontages et nettoyage réguliers des parois du cylindre. La figure4.5présente l’évolution des champs de vitesses pour ce nouveau point de fonctionnement.
FIG. 4.5: Evolution de l’aérodynamique interne du moteur optique (point cliquetis) au cours du temps
pour une moyenne statistique sur 200 cycles moteurs [30].
On constate que les champs de vitesses ne correspondent pas à l’écoulement physique du moteur. En effet, durant l’admission, la PIV ne capture aucune vitesse proche des soupapes d’admission (coin supé-
rieur droit de chaque image), alors que l’air est en train d’être admis à plusieurs mètres par seconde. De plus, au PMB par exemple, le mouvement de tumble caractéristique des moteurs essence n’est pas clai- rement identifiable. Enfin, plus de la moitié de la chambre semble être au repos aux différents instants, ce qui n’est pas envisageable pour les moteurs downsizés étudiés ici et dont la principale caractéristique est leur forte aérodynamique interne. Ces champs de vitesses PIV ne sont donc pas utilisables pour une comparaison avec les champs de vitesse LES.
De la PIV LIEF utilisant un tracer TEA-benzene a également été utilisée pour visualiser la phase vapeur du carburant. Des champs de richesse sont obtenus grâce aux deux hublots transparents (Fig.4.3) et on retrouve sur la figure4.6deux champs de richesse au PMH issus de deux cycles différents à une même AVI de 280˚V par rapport au PMH combustion.
FIG. 4.6: Champs instantanés de richesse au PMH pour deux cycles moteur différents avec injection
directe (AVI = 280˚V) [30].
Les stratifications en richesse observées sont importantes et devront être gardées en tête lors de la comparaison des résultats expérimentaux et LES. En effet, la turbulence ou les hétérogénéités de richesse induites par l’injection directe peuvent jouer un rôle dans l’apparition des combustion anormales. Cependant, la partie injection directe en LES dans AVBP fait actuellement l’objet de développement à IFPEN, et n’était pas disponible pour cette thèse. Les calculs LES présentés par la suite ont donc été effectués avec un mélange parfaitement prémélangé.