Mouvements Internes et Homogénéité

, ,

=

=

La composition peut être déduite en utilisant les modèles MFB de Rassweiller et Withrow [105] qui supposent une combustion complète et en utilisant des variables connues, telles que la masse de carburant injectée, la masse d’air admise. Cette méthode est précise seulement pour les moteur Diesel où des fluctuations importantes de pression cylindre ont lieu. Elle présente des résultats cohérents en comparant ses résultats aux mesures expérimentales de masse d'air enfermée (Figure 35).

Figure 35 Masse d'air enfermée calculée par la méthode de résonance comparée à celle mesurée par un débitmètre d'air

1.5 Mouvements Internes et Homogénéité

Quel que soit le procédé de combustion utilisé, les mouvements aérodynamiques et la turbulence interne agissent de façon directe sur le contenu du cylindre en masse et composition durant la phase d’admission. Le niveau de turbulence intensifie les échanges de masse, chaleur et quantité de mouvement.

57 Dans une configuration simple de chambre de combustion où aucun dispositif particulier dans le piston ne permet la présence d’un écoulement structuré, l’énergie cinétique introduite par les forces de vitesses présentes dans le jet de soupapes durant la phase d’admission crée des structures tourbillonnaires dans les couches de mélange. Cette énergie passe au cours du temps vers des structures de plus en plus petites et se dissipe à la fin de la phase de compression [106]. Afin de stocker une partie de cette énergie, il est nécessaire d’augmenter la turbulence à l’admission en structurant l’écoulement de l’air en un mouvement de grande échelle et puis détruire cette structure en fin de compression pour augmenter le niveau de turbulence. Ceci peut être effectué principalement en faisant soit du Swirl soit du Tumble (Figure 36) :

Figure 36 : Mouvement de Swirl (a) et de Tumble (b) [106]

1.5.1 Swirl

Dans des configurations Diesel, un mouvement de rotation autour de l'axe de la chambre de combustion, appelé Swirl, est donné à la charge gazeuse. Ce mouvement est généré par l'utilisation de conduits dits "hélicoïdaux" qui donnent à l'air un moment de rotation dans le conduit d'admission, ou par l'utilisation de conduits "tangentiels" utilisant l'interaction entre le fluide et la paroi de la chambre de combustion pour imprimer son mouvement au fluide (Figure 37). Ce type de structure est également utilisé sur les moteurs à allumage commandé à injection directe pour obtenir une stratification de la charge. Le Swirl se conserve durant la phase de compression, car son mouvement suit la forme cylindrique de la chambre de combustion et favorise la stabilité de l'écoulement. Il est néanmoins lui-même source de fluctuations cycliques. En fin de compression, la réduction de la distance entre le piston et la culasse transfère la masse gazeuse vers un "bol" creusé dans le piston. Ce mouvement, appelé "Squish", introduit un fort niveau de turbulence dans le cylindre, et amplifie le Swirl par conservation du

58 moment cinétique. Le taux de Swirl est défini par le taux de la vitesse tangentielle sur la vitesse axiale [107]:

=

Dans le cas de procédés à injection directe Diesel, le mouvement de Swirl permet d'éviter le recouvrement des jets de carburants, évitant ainsi que du carburant soit introduit dans des zones pauvres en oxygène de la chambre de combustion. [108]

Figure 37 : Principaux types de conduits générant un mouvement de Swirl [109]

1.5.2 Tumble

Les mouvements de Tumble concernent principalement les configurations à allumage commandé. Ce mouvement est peu pénalisant en termes de remplissage et s'obtient en dirigeant les jets principaux vers la paroi. Le jet descend alors vers le piston puis remonte créant ainsi une rotation d'axe perpendiculaire à l'axe de la chambre de combustion. Les parois guidant le mouvement du fluide ne sont pas ici circulaires, mais présentent des angles qui rendent ce mouvement moins stable que le Swirl. Cette structure est intéressante lors de l'utilisation de stratégies à forte avance à l'allumage car elle permet de convecter la flamme naissante depuis l'espace inter-électrode vers le bas de la chambre, étirant ainsi la surface de flamme. En fin de compression, la remontée du piston permet la déstructuration du Tumble et augmente ainsi le niveau de turbulence au moment où démarre la combustion [110].

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1.5.3 Jet de soupape

Les écoulements traversant les soupapes d'admission se caractérisent par des couches de cisaillement entre un fluide rapide et un fluide lent créant des structures tourbillonnaires affectant le jet. La structure du jet est annulaire et torique, les fortes vitesses sont réparties tout autour de la soupape [111], [112], [113]. Les écoulements sont répartis en deux grands types selon l'échelle : jet annulaire confiné (à l'échelle de la chambre) et jet plan impactant (impacte les parois latérales).

Figure 38 : Description de l écoulement de l air admis (mesures PIV) à l ouverture des soupapes d admission [4]

Laurant [4] a effectué une étude tridimensionnelle de l’écoulement par des mesures des plans verticaux et horizontaux, ses résultats montrent la présence d’une large zone de recirculation sous la soupape (Figure 38). Cette zone est le siège de fluctuations à basses fréquences dans le cas de jets annulaires et coniques. Le temps caractéristique de ces fluctuations est de l’ordre de 15ms et dépend fortement du régime moteur.

Ces phénomènes physiques décrits dans la littérature montrent la présence de mouvement aérodynamiques internes dans la chambre de combustion. Ces mouvements dépendent du type et du fonctionnement du moteur ainsi que des géométries de la chambre de combustion et de la conduite d'admission. Ils impactent la distribution spatiale et temporelle des gaz admis ainsi que les gaz résiduels et peuvent donc influencer l'hétérogénéité du contenu de la chambre de combustion en termes d'espèces et températures.

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