Autre influence

En perturbant les couches limites de concentration et les couches limites thermiques au voisinage des parois, la géométrie peut affecter les coefficients de transfert de masse et coefficient transfert thermique.

Enfin, rappelons que l’impact de la géométrie est toutefois négligeable sur les phénomènes de formation de givre (détails disponibles en annexe §A1.5) [101].

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Comme dans le cas de l’orientation des tubes, la géométrie joue un rôle important quand le phénomène inclut la présence de condensat liquide. De plus, des modifications des coefficients de transfert eux-mêmes sont envisageables. Ainsi, nous avons choisi de tenir compte de l’aspect géométrique dans le cadre de cette étude. Pour cela, on étudiera en particulier les tubes annelés qui sont les configurations les plus complexes rencontrés dans les tuyaux de blow-by d’automobile.

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Les dimensions des pièces varient avec les circuits considérés. Les diamètres des tubes peuvent être très petits pour les circuits travaillant avec des débits de blow-by faibles ou très grands pour des débits plus élevés. En général, PSA se fixe comme critère de dimensionnement maximal un rayon l’ordre de 6 à 12 mm pour un circuit amont ainsi qu’une vitesse de gaz maximale de l’ordre de 5 m/s. En exploitant la base de données des circuits de blow-by qui a été construite, on a établi le domaine des diamètres des pièces selon le tableau suivant:

D min D moy D max Min Angle coudes

4 mm 20 mm 32 mm 21°

Tableau 5 : Diamètres des pièces sur moteur

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L’impact du diamètre des tubes et de la vitesse des gaz sont étroitement liés. Toute diminution du diamètre entraine l’augmentation de la vitesse des gaz ainsi que du nombre de Reynolds. On retrouve donc tous les impacts de la vitesse cités dans les paragraphes précédents (modification coefficient de transfert, modification aspect des films de condensat, etc.)

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Outre, l’impact via la vitesse du gaz, le diamètre du tube devrait aussi affecter la durée de formation des bouchons de glace. Plus le diamètre est élevé plus la quantité de glace nécessaire pour boucher le tube est importante.

Dans les domaines de condensation, les essais préliminaires montraient que les phénomènes mis en jeu sont totalement différents pour les diamètres élevés que pour les faibles. Pour un diamètre élevé, les condensats se déplacent et s’accumulent avant de se solidifier, alors que pour les faibles diamètres, aussitôt formées, les gouttes de condensat sont amenées indépendamment les unes des autres le long des tubes jusqu’à certains endroits en aval où elles se solidifient en gouttes solides.

Figure 68 : Phénomène observé en diamètre très faible D=3mm (Essai préliminaire)

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Les pièces, en particulier les tubes de blow-by, ont des dimensions très variées. Le diamètre constaté est de l’ordre de 4 à 32 mm.

L’impact de la géométrie doit être considéré dans toutes les études suivantes. Comme dans le cas du débit, il a un impact non négligeable aussi bien sur le transfert thermique que sur le phénomène de formation des bouchons.

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En se servant de la base de données établie à partir des schémas 3D des différents circuits de blow-by, la longueur des tubes peut être résumée par le tableau suivant :

L min L moy L max Min Angle

coudes

36 mm 260 mm 690 mm 21°

Tableau 6 : Longueur des tubes sur moteurs

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En agissant sur la surface de contact entre le gaz humide et la paroi froide, la longueur du tube influence la température et l’humidité adoptée par le gaz le long de son parcours. On retrouve donc intégralement les différentes influences de ces deux paramètres (humidité et température) dans l’influence de la longueur du tube.

Mathématiquement, l’influence de la longueur du tube sur les énergies totales transférées sur la paroi ainsi que sur la quantité totale de condensat est représentée par la surface de condensation A du tube dans les équations suivantes :

1

=

L tot

qdA

92

1

=

L cond vap tot

m dA

m1 1

_,

.

_(3-8)

Les composants locaux

q1

et

m1

_vap,cond représentent les flux de chaleur et les flux de condensation locaux en un point quelconque du tube. Ils ont été présentés dans le Chap. 2.

De même, en agissant sur la durée et la surface de contact entre les condensats liquides (ou les émulsions) et les parois froides, l’augmentation de la longueur du tube a une incidence directe sur la possibilité de cristallisation des condensats liquides qui se forment. Comme on le voit sur les figures suivantes, les essais préliminaires ont montré qu’une certaine portion amont du tube ne contient que du condensat liquide, puis après une certaine longueur, les condensats commencent à de solidifier et des cristaux de glace sont observés. A mi-parcours, la totalité des condensats peut se solidifier et la portion du tube non lessivée par l’eau devient le siège de la formation de givre.

Figure 69 : Etat de l’eau le long du tube (Essai préliminaire)

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Les longueurs des tuyaux de blow-by sont variables. Les tuyaux peuvent être sous forme d’un simple raccord très court mais aussi très long (700 mm).

La longueur des tubes constitue l’un des facteurs les plus importants dans la formation des bouchons en conditions condensantes. La longueur agit aussi sur le transfert thermique total entre le gaz et la paroi. En outre, compte tenu de la conductivité limitée des matériaux constituant les tubes de blow-by, l’impact de la longueur peut aussi se faire sentir au niveau de la distribution spatiale de la température de paroi interne et donc des phénomènes observés : plus les tubes sont longs, plus les phénomènes de formation de glace et de givre prédominent.

D’un point de vue pratique, la plus petite longueur de tube permettrait de résoudre la totalité des équations des transferts thermiques locaux. Par contre, cela empêcherait l’observation des phénomènes liés à la formation de condensats suivis de la solidification. Inversement, une longueur élevée des tubes permettrait de comprendre l’évolution des phénomènes le long des tubes, néanmoins, cela rendrait impossible l’analyse des phénomènes de transfert puisque la température du gaz à la sortie serait proche de la température de paroi.

Afin de pouvoir tenir compte de ces deux effets et pour limiter le nombre d’essais expérimentaux, on prendra une longueur limite maximale des tubes de blow-by. Puis on utilisera des modèles de plusieurs tubes courts montés bout à bout pour déterminer les transferts locaux. Toutefois, si nécessaire, on réduira la longueur des tubes d’essais jusqu’à aboutir à un compromis.

Dans tous les cas, il est recommandé d’identifier les lieux d’origine des bouchons au lieu de se fier tout simplement à la pression finale.

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21!EFC5"6B9%C

Les matériaux du circuit de blow-by sont essentiellement à base de polyamide dont des PA66, des PA11, des PA12. Dans de rares cas, on peut aussi avoir des caoutchoucs ou des gommes comme dans le cas des tubes de blow-by tel que celui du moteur DWxx.

Comme les phénomènes de givrage, de condensation et d’émulsion sont des phénomènes d’interfaces, les matériaux peuvent être caractérisés par leurs angles de contact vis-à-vis des composés mis en jeu dans les différents phénomènes. Pour le givrage et la condensation, la mesure de l’angle de contact de l’eau suffit amplement pour caractériser les surfaces. En ce qui concerne les émulsions, en plus de l’angle de contact de l’eau, on considèrera aussi l’angle de contact de l’huile.

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L’angle de contact mesure l’aptitude d’un liquide à s’étaler sur une surface par mouillabilité. Elle varie avec la nature du liquide et celle de la paroi. L’état d’équilibre entre les trois phases en présence (liquide, air atmosphérique, paroi solide) peut être décrit selon l’équation de Young :

LV SL SV

γ ^γ

γ

θ

₀

= ⁻

cos

_(3-9)

80 représente l’angle de contact

6SV est la tension interfaciale entre le solide et le gaz 6SL est la tension interfaciale entre le solide et le liquide 6LV est la tension interfaciale entre le liquide et le gaz

Comme les surfaces ne sont jamais parfaitement homogènes, la présence de défauts physiques ou chimiques entraine l’existence d’une plage d’angles de contact (8) autorisés autour de l’angle de contact statique 80, les valeurs minimale 8r et maximale 8a à l’intérieur de la plage en question sont appelés respectivement angle de contact de recul et angle de contact d’avancée [103]. La largeur de la plage

(θ

a

−θ

r

)

est l’hystérésis de l’angle de contact. Pour une goutte placée sur un plan incliné, [8r,8a] représente l’intervalle possible que peut prendre l’angle de contact en haut et en bas de la goutte avant que celle-ci se déplace vers le bas à cause de la gravité.

Si des tensioactifs sont présents dans le liquide, ils migrent vers les interfaces et les tensions interfaciales sont modifiées. L’angle de contact diminue donc (ou augmente selon la tensioactif) progressivement avec le temps [104]:

Figure 70 : Evolution de l’angle de contact d’une goutte en présence de tensioactifs

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Les matériaux ont été choisis en fonction de l’occurrence formation de gels et d’émulsions observée lors des essais sur banc climatique. Par soucis de représentativité vis-à-vis des moteurs réel, on a utilisé des pièces brutes, sans traitement ni polissage particulier des surfaces.

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Les pièces sont essentiellement prélevées sur des tuyaux de blow-by, mais aussi des couvre-culasse, des reniflards ainsi que des raccords au niveau de piquage sur la ligne d’air. Les pièces proviennent aussi bien des moteurs à essence que Diesel.

Au total, nous avons choisi 13 pièces, sur les 255 pièces référencées dans la base de données établie.

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Pour mesurer l’angle de contact, nous avons utilisé un goniomètre numérique automatisé. La méthode consiste à déposer à l’aide d’une seringue une goutte du liquide sur la pièce à caractériser et de mesurer l’angle de la tangente du profil de cette goutte.

Figure 71 : Méthode de mesure de l’angle de contact (Essai en laboratoire)

Dans le document FORMATION DE GELS ET D'ÉMULSIONS DANS LE CIRCUIT DE BLOW-BY DES MOTEURS A COMBUSTION INTERNE (Page 99-103)