Conclusion générale
Pour étudier les écoulements au travers des systèmes d’admission et d’échappement des moteurs à combustion interne, il est clair que les descriptions détaillées de l’écoulement, relatives ou associées avec les approches acoustiques ou l’écoulement interne ne sont pas nécessaires. Donc, une approche simple et efficace et une modélisation complète (sans réduction en précision) peut néanmoins donner des prédictions valides des performances.
Le modèle de vidange remplissage peut être une technique attractive grâce à sa simplicité, mais pour les circuits d’admission et d’échappement de moteurs à combustion interne, l’effet important de l’inertie du fluide liée aux tubulures a été ignoré dans la formulation de cette technique. Les premières recherches montrent que, le calage des moteurs est beaucoup plus affecté par les longueurs des tubes primaires (runners) des circuits d’admission et d’échappement (collecteurs/répartiteurs) des moteurs à combustion interne, et que le rendement du moteur diminue légèrement avec l’augmentation de la longueur des tubes d’admission. Par ailleurs, à partir des études précédentes, il a été montré grâce aux courbes de rendement volumétrique en fonction de la vitesse du moteur qu’il existe deux pics. Si les longueurs des tubes primaires (runners) sont réduites, le second pic relatif aux effets d’inertie se déplace vers les grandes régimes et la grandeur (amplitude) de calage diminue; mais, si ces longueurs augmentent, le pic d’inertie devient plus grand due à l’augmentation de la masse d’air dans les tubes et la fréquence de calage est réduite. En fait, les deux modes de calage commencent à coïncider et il en résulte une augmentation du rendement volumétrique et du couple moteur, sur une large gamme significative de vitesse. Par conséquent, cette méthode est incapable de distinguer entre deux configurations de circuits d’admission ou d’échappement avec différentes géométries et qui aboutissent à des volumes globaux identiques.
Dans cette étude, une évolution a été ajoutée pour tenir compte de l’inertie de fluide dans les systèmes d’admission et d’échappement des moteurs à combustion interne. Basée sur la formulation thermodynamique de la méthode de vidange remplissage et le principe fondamental de la dynamique afin de tenir compte des effets d’inertie, une nouvelle méthode a été développée, «méthode inertielle capacitive». Aussi, basée sur des analyses CFD, les paramètres de calage relatifs à cette nouvelle approche sont déterminés pour généraliser l’application de cette procédure sur tout type de configuration de système d’admission ou d’échappement (collecteurs/répartiteurs).
Pour les circuits compacts d’admission (dans cette étude, pour L/D≤7.5), l’effet d’inertie du fluide est faible ou négligeable. Aussi, il est mentionné dans des études précédentes que l’inertie des gaz n’est pas significative au dessous de (L/D≥10). Les trois rapports de calage (paramètres de la méthode inertielle capacitive MIC, L/L0, (D/D0) IE, (D/D0) CE), sont linéairement proportionnels aux fréquences de rotation du moteur (n), mais à une fréquence constante de rotation, il est noté que le paramètre de calage (L/L0) diminue avec l’augmentation de la longueur géométrique (L0) de l’élément inertiel. Cependant, dans les mêmes conditions, le paramètre de calage (D/D0) IE de l’élément inertiel augmente et le paramètre de calage (D/D0) CE relié à la différence de pression à travers les soupapes, diminue avec l’augmentation de la longueur géométrique (L0). Les deux paramètres (L/L0) et (D/D0) IE sont reliés à la différence de pression due au effet d’inertie du volume de gaz. En augmentant la longueur de l’élément inertiel, l’inertie augmente et son influence sur l’écoulement du fluide augmente avec la vitesse du moteur. Pour les basses vitesses du moteur, l’influence n’est pas sensible. Aussi, il est observé que pour une longueur et une fréquence de rotation donnée, les différents paramètres de calage sont indépendants du diamètre du tube (les mêmes valeurs de paramètres de calage sont déterminées pour différents diamètres des tubes, pour une longueur et une fréquence données). Il est noté aussi qu’avec l’augmentation de la vitesse du moteur et même en atteignant la fréquence d’excitation, la méthode inertielle capacitive MIC reste valable, même si l’influence de l’effet d’inertie de fluide augmente considérablement.
Dans cette étude, il est démontré que les effets ignorés d’inertie du fluide dans la formulation de la méthode de vidange remplissage, sont la cause qui conduit cette dernière d’être convenable ou appropriée seulement pour les circuits compacts d’admission et d’échappement de moteurs à combustion interne. La nouvelle méthode développée «méthode inertielle capacitive» permet de tenir compte des effets d’inertie de fluide, avec les paramètres appropriés de calage. Elle est une approche simple (demandant un effort de programmation faible). Cette méthode est applicable pour tout type de configuration des tubulures d’admission et d’échappement de moteurs à combustion interne.
Par un calage souhaitable des systèmes d’admission et d’échappement des moteurs à combustion interne: longueurs des tubes primaires des collecteurs ou répartiteurs, sections transversales de ces derniers) des avantages peuvent être obtenus du phénomène d’onde pour augmenter la pression au port d’admission à la fin du processus d’admission et de diminuer la pression au port d’échappement à la fin du processus d’échappement. De tels avantages de calage peuvent être réalisées avec des gammes de vitesses spécifiques.
Le nouveau modèle est ensuite, utilisé afin d’étudier le remplissage et la vidange d’un moteur monocylindrique à quatre temps sans combustion. Un bon accord est obtenu en comparant les résultats numériques et expérimentaux. En conséquence, ce type de modèle peut être utilisé sans emploi de l’approche unidimensionnelle 1D et par suite, le temps de calcul sera réduit. Ce point est très important pour les codes de simulation des moteurs à combustion interne, spécialement pour la désignation des circuits d’admission et d’échappement.
Le débit volumétrique (Q) et la pression (P), doivent être considérés comme des quantités moyennes [81]. Puisque le profil de vitesse d’écoulement peut varier largement pendant les conditions transitoires, il est clair que les variables (P et Q) ne peuvent pas être évaluées exactement à moins que la nature d’écoulement sur l’aire de la section transversale soit connue d’avance. On doit au moins mettre une estimation préliminaire des paramètres de système avant que la dynamique de l’écoulement puisse même être estimée. L’inertie des tubes de petites aires de sections transversales est alors importante alors que celle des tubes de grandes aires de sections transversales.
− Premièrement, le fluide dans le tube est traité comme un corps rigide en déplacement. Il est difficile de prouver avec cette hypothèse, comment change le profil de vitesse en espace et en temps. Pour les conditions transitoires, la distribution de vitesse est souvent difficile à estimer.
− Deuxièmement, à moins que l’on soit obligé de supposer que le fluide est incompressible, et dans ce cas, la valeur de la densité (ρ) est remise en question. En général, si (ρ) varie, ensuite bien sûr les deux extrémités du volume considéré de fluide ne peuvent pas se déplacer avec la même vitesse.
Lorsque les variations de densité sont significatives, la thermodynamique de la situation doit être étudiée. Donc, dans le but de connaître plus clairement, la nature de quelques modèles de dynamique des fluides, les plus communément utilisés, il faut considérer les équations différentielles partielles de mécanique des fluides et les effets non linéaires.