Influence du recalage de la pression cylindre et du rapport volumétrique

En plus d’être sensible à la valeur du rapport des chaleur spécifiques, le calcul du dégagement de chaleur net est affecté par la précision de la mesure de la pression cylindre. Comme on l’a vu précédemment, celle-ci peut être entachée d’erreurs liées à la détermination de sa valeur absolue et à son phasage angulaire.

Les Figure 38, Figure 39 et Figure 40 présentent l’influence du recalage angulaire de la mesure de pression cylindre sur le dégagement de chaleur respectivement lors de la compression, de la combustion et de la détente. L’angle de perte varie entre 0 et 1,44° de vilebrequin par pas de 0,36°, ce qui correspond à un top codeur. L’angle de perte 0,72° correspond au recalage angulaire utilisé lors des essais moteurs.

Lors de la compression, l’angle de perte a une influence constante jusque tard dans la course, l’importance relative de cette influence diminuant avec le temps. Plus l’angle de perte est élevé, plus le transfert de chaleur aux parois est faible. Au voisinage de 325°vil., on note une inversion de cette tendance. Ceci est dû au changement de l’importance relative des termes de l’équation (75).

Figure 38 : Influence de l’angle de perte sur le dégagement de chaleur net lors de la compression. 2000 tr/min 7 bars.

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Durant la combustion, on constate que plus l’angle de perte est faible, plus le maximum atteint par le dégagement de chaleur net est élevé en plus d’être retardé.

Enfin pendant la détente, on constate la forte influence de l’angle de perte. En effet comme lors de la compression, plus l’angle de perte est faible, plus le dégagement de chaleur net est négatif. De façon similaire à la fin de la course de compression, on note la présence d’un point d’inversion au début de la détente.

Même si le dégagement de chaleur net pour un angle de perte plus faible implique plus de transfert aux parois lors de la compression et de la détente, cela ne parvient pas à compenser l’importance du dégagement de chaleur net lors de la combustion. Cet effet est visible sur la Figure 41 où sont représentés les dégagements de chaleur nets cumulés pour les différents angles. Ainsi, plus l’angle de perte est faible, plus la part d’énergie libérée par la combustion et cédée aux parois diminue, effet déjà observé par Brunt at al. [58] et Lapuerta et al. [62]. Entre 0 et 1,44° d’angle de perte, le pourcentage d’énergie apportée par le carburant varie d’un peu moins de 5%, comme indiqué dans le Tableau 13.

Figure 39 : Influence de l’angle de perte sur le dégagement de chaleur net lors de la combustion. 2000 tr/min 7 bars.

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Figure 40 : Influence de l’angle de perte sur le dégagement de chaleur net lors de la détente. 2000 tr/min 7 bars.

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Angle de perte (°vil.) Pertes aux parois cumulées (J) ^{Pertes aux parois cumulées (%} de Qcomb) 0 124 18,4 0,36 132 19,5 0,72 140 20,7 1,08 148 21,9 1,44 156 23,1

Tableau 13 : Pertes de chaleur aux parois cumulées pour différents angles de perte.

Concernant le recalage absolu de la mesure de pression cylindre, différents niveaux d’erreur de référence sont comparés lors de la compression et de la détente, comme illustré respectivement par la Figure 42 et la Figure 43. Comme la présence de pertes de charge aux soupapes est la principale source d’erreur, un décalage de la pression cylindre de 0 à -0,15 bar par pas de -0,05 par rapport au recalage basé sur la pression dynamique à l’admission est utilisé. De plus un décalage de +0,05 bar est ajouté afin de représenter une erreur du capteur de pression à l’admission.

Lors de la compression, le recalage absolu a un fort impact sur le dégagement de chaleur net. Plus la pression à la fermeture des soupapes d’admission est faible, moins le gaz cède de chaleur aux parois. Dans le cas d’un offset de -0,15 bar, comme le dégagement de chaleur est positif, le gaz reçoit de la chaleur des parois jusqu’à plus de la moitié de la course de compression.

Durant la course de détente, la tendance est inversée comparé à la compression. Plus la pression cylindre est sous-estimée, plus le dégagement de chaleur net est négatif.

Contrairement à la compression et la détente, la combustion n’est quasiment pas affectée par le recalage absolu. Comme les effets de ce recalage sont opposés lors des courses de compression et détente, l’influence de celui-ci est très faible sur les pertes aux parois cumulées avec moins de 0,8% de différence sur la part d’énergie apportée par la combustion et cédée aux parois entre les différents cas. Ce fait a déjà été observé par différents auteurs [60] [61] [69].

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Figure 42 : Influence du recalage absolu de la pression cylindre sur le dégagement de chaleur net lors de la compression. 2000 tr/min 7 bars.

Figure 43 : Influence du recalage absolu de la pression cylindre sur le dégagement de chaleur net lors de la détente. 2000 tr/min 7 bars.

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Enfin, nous allons nous intéresser à l’influence du rapport volumétrique sur le calcul du dégagement de chaleur net et des pertes aux parois cumulées. L’incertitude sur ce rapport, défini comme le rapport entre le volume mort et la somme du volume mort et de la cylindrée unitaire, provient de la difficulté à estimer précisément le volume mort du fait de sa géométrie complexe et d’éventuelles dispersions de fabrication. La Figure 44, la Figure 45 et la Figure 46 présentent l’influence du rapport volumétrique sur le dégagement de chaleur net respectivement lors de la compression, de la combustion et de la détente. Dans les différents cas, le rapport volumétrique varie entre 8,75 et 9,75 par pas de 0,25.

Figure 44 : Influence du rapport volumétrique sur le dégagement de chaleur net lors de la compression. 2000 tr/min 7 bars.

Lors de la compression, l’influence du rapport volumétrique est d’abord faible, puis de plus en plus en plus prononcée au fur et à mesure que le piston se rapproche du PMH. En fin de compression, le dégagement de chaleur net est dix fois plus intense pour un rapport volumétrique de 9,75 que pour un rapport de 8,75. Dans le cas de ce dernier, le comportement du dégagement de chaleur est absurde car il implique que le gaz cède plus de chaleur aux parois en début de compression qu’en fin de compression.

Durant la combustion, plus le rapport volumétrique est faible, plus le maximum atteint par le dégagement de chaleur net est élevé. Néanmoins en fin de combustion la tendance s’inverse et le rapport volumétrique le plus élevé produit le dégagement de chaleur net le plus intense.

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Enfin lors de la détente, l’influence du rapport volumétrique est contraire à celle observée durant la compression. Cette influence est d’abord forte, puis de plus en plus faible au fur et à mesure que le piston s’éloigne du PMH. Plus le rapport volumétrique est faible, plus le dégagement de chaleur est intense.

On constate donc que le rapport volumétrique affecte le dégagement de chaleur, en particulier à proximité du PMH. En effet, comme le volume de la chambre y est faible, des variations minimes du rapport volumétrique ont une forte influence.

Lorsque l’on s’intéresse à l’influence du rapport volumétrique sur les pertes de chaleur aux parois cumulées, on constate que les variations observées lors de la partie fermée du cycle n’impactent que très peu le dégagement de chaleur cumulé, fait noté par Lapuerta et al. [62]. Ainsi, la part d’énergie apportée par la combustion et cédée aux parois varie de moins de 0,75% entre les différents cas. La Figure 47 illustre l’influence du rapport volumétrique sur le calcul des pertes aux parois cumulées et l’on remarque les différences observées lors de la compression, combustion et détente se compensent.

Figure 45 : Influence du rapport volumétrique sur le dégagement de chaleur net lors de la combustion. 2000 tr/min 7 bars.

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Figure 46 : Influence du rapport volumétrique sur le dégagement de chaleur net lors de la détente. 2000 tr/min 7 bars.

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Le dégagement de chaleur net peut en principe être utilisé afin de caractériser les échanges de chaleur aux parois soit tel quel lorsqu’il n’y a pas de combustion, soit en le cumulant et le combinant avec le calcul de la quantité de chaleur dégagée par la combustion. Mais du fait de sa sensibilité aux incertitudes expérimentales, il convient d’être prudent lors de son utilisation. L’utilisation du dégagement de chaleur lors de la compression est problématique. En effet, bien que l’influence de l’angle de perte soit faible, celles de la mesure absolue de la pression cylindre et du rapport volumétrique sont prononcées. Même en admettant avoir un rapport volumétrique exact, une erreur sur la mesure de pression cylindre impacte non seulement le niveau de flux chaleur cédé aux parois, mais aussi son sens. Le dégagement de chaleur lors de la compression peut néanmoins être utilisé afin de repérer une erreur sur l’estimation du rapport volumétrique.

Concernant les pertes aux parois cumulées, celles-ci sont nettement moins sensibles aux incertitudes expérimentales. En effet bien que l’angle de perte ait une certaine influence sur leur calcul, la valeur absolue de la pression cylindre et le rapport volumétrique ont un impact négligeable car leurs effets durant les différentes portions de la partie fermée du cycle se compensent. Les pertes de chaleur cumulées calculées par le dégagement de chaleur apparaissent donc comme un moyen de calibration robuste.

Les cas de références, à savoir les choix présentés dans la partie II.2.2 dans le cadre de la mesure de la pression cylindre et le rapport volumétrique fourni par le constructeur, ne présentant pas de résultats absurdes, ceux-ci sont considérés comme valides pour le reste de ce mémoire. Néanmoins les conclusions de cette partie seront utilisées lors de la prise en compte des incertitudes de mesure dans le cadre de la calibration des modèles de transfert thermiques zéro dimensionnels.

La méthodologie de calcul des pertes de chaleur au parois cumulées ainsi que sa sensibilité aux données expérimentales ayant été présentée, nous allons maintenant nous intéresser à l’influence que les paramètres moteurs ont sur celles-ci.

II.3.4 Application au calcul des pertes de chaleur aux parois