HAL Id: jpa-00248909
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Submitted on 1 Jan 1993
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Application de l’A.D.L, pour la mesure du champ de vitesses instationnaires de llecoulement a Ilechappement
d’un moteur a combustion interne
M. Boutrif, M. Thelliez
To cite this version:
M. Boutrif, M. Thelliez. Application de l’A.D.L, pour la mesure du champ de vitesses instationnaires de llecoulement a Ilechappement d’un moteur a combustion interne. Journal de Physique III, EDP Sciences, 1993, 3 (1), pp.69-84. �10.1051/jp3:1993121�. �jpa-00248909�
J. Phys. JJI France 3 (1993) 69-84 JANUARY 1993, PAGE 69
Classification Physics Abstracts
07.60 47.60
Application de l'A.D.L, pour la mesure du champ de vitesses instationnaires de l'dcoulement h l'dchappement d'un moteur h combustion interne
M. S. Boutrif et M. Thelliez
Universit£ P. et M. Curie (Paris VI), Laboratoire de Thermodynamique Appliqu£e aux Machies et Thermique, 2 Place de la Gare de Ceinture, 78210 Saint Cyr l'Ecole, France
(Repa le J6 avril J992, acceptd le 21 septembre 1992)
Rdsumk.- Nous pr£sentons des r£sultats exp£rimentaux du champ de vitesses instationnaires, obtenus par adaptation et application de la vdlocimdtrie laser interf£rentielle commun£ment
appelde h effet Doppler (L. D-A-), h l'dchappement d'un moteur altematif h combustion inteme en fonctionnement nominal. Tout d'abord, nous montrons que dans
un tube d'£chappement long et
droit, la vitesse instantande est bien monodimensionnelle et que l'dcoulement occupe la quasi- totalit£ de la section droite g£om£trique du tube (une couche limite d'£paisseur infdrieure h 2 mm
se ddveloppe «Is prds de la paroi du tube). Nous pouvons dgalement ddcrire la vidange du cylindre
du moteur dtudid en deux phases principales bouffde d'£chappement et refoulement des gaz br0l£s
par le piston. Nous mettons de mdme en dvidence I'£tat trbs pulsd de I'£coulement, puisqu'en un
intervalle de temps infdrieur h I ms, la vitesse de l'dcoulement vane de loo m/s h 200 m/s nous
enregistrons ainsi l'apparition du phdnombne de r£sonance acoustique h des vitesses de rotation
supdrieures h 3 500 tr/mn. Enfin, nous montrons qu'h I'£chappement d'un moteur, l'intensit£ de fluctuation maximale, qui regroupe la dispersion cyclique et la turbulence proprement dite, peut atteindre 15 fb.
Abstract. We present experimental results of instantaneous velocity measurement, which were obtaied by application of the laser Doppler anemometry (L.D.A.) at the exhaust pipe of a
reciprocating engine under real workig conditions. First of all, we show that tile instantaneous
velocity is monodimensional along a straight exhaust pipe, and that the boundary layer develops
w1tllin a 2 mm thickness. We also show that tile cylinder discharges in two phases the blow down
period and the final part of exhaust stroke. We also make obvious, tllat the flow escapes very
quickly its velocity varies between loo m/s and 200 m/s within a period shorter than I ms ;
tllereby, we do record the acoustic resonance phenomenon, when the engine speed is greater than 3 000 rpm. Finally, we show that in the exhaust pipe the apparent fluctuation I-e- the cyclic
dispersion and tile actual turbulence may reach 15 fb.
Nomenclature
A-D-L- andmomdtrie Doppler laser
C course du piston
R diambtre du tube
DV degrd vilebrequin
dx ddplacement du piston
FE ferrneture de la soupape d'dchappement
J~ intensitd de turbulence
L longueur de la bielle
N vitesse de rotation du moteur
OE ouverture de la soupape d'dchappement
P pression
S section
T tempdrature
U vitesse
LETTES GRECQUES i
p masse volumique
position angulaire du vilebrequin
INDICES
cyl cylindre
dchap dchappement
pis piston
Introduction.
La simulation des dcoulements intervenant dans les moteurs (conduit d'admission ou
d'dchappement et chambre de combustion), est rendue efficace grfice au ddveloppement de la
recherche numdrique [1-3]. La plupart de ces simulations manquent frdquemment d'une
validation expdrimentale: utilisation de conditions aux limites rdelles, comparaison des rdsultats obtenus numdriquement h ceux foumis expdrimentalement.
Cette validation exige la connaissance simultande du triplet de parambtres pression, tempdrature et vitesse instantandes de l'dcoulement (P, T, U~ [4]. Leur mesure est rendue
difficile h cause de la complexitd de l'dcoulement (instationnaire, trbs pulsd (dchelle de temps caractdristique
< lms), h haute tempdrature (T
=
200 K)) et de la gdomdtrie complexe du collecteur d'admission ou d'dchappement (circuit multibranche) [5, 6].
Dans ce travail, nous nous sommes limitds hl'exposd des rdsultats de vitesse mesurde par andmomdtrie Doppler laser (A.D.L.) h l'dchappement d'un moteur altematif h combustion inteme. Dans un premier temps, nous faisons la description du banc d'essai (moteur) ; nous
montrons la modification apport6e et les solutions retenues pour l'adaptation de 1'A.D.L. h
l'dchappement du moteur 6tudid. Dans un deuxibme temps, nous exposons les r6sultats obtenus et nous mettons en dvidence l'influence, sur ces demiers, de la vitesse de rotation du
moteur et du couple appliqu6 par1e frein. Enfin, nous donnons l'ordre de grandeur de
l'intensit6 de fluctuation affectant l'6coulement h l'dchappement d'un moteur, rdsultat
particulibrement intdressant pour l'6valuation de l'dnergie turbulente.
1. Banc expdrimental.
I-I MOTEUR ET MODIFICATION. Ii s'agit d'un moteur h allumage commandd destind aux
vdhicules lagers. Ii est mont6 sur un banc d'essai 6quip6 en systbme de mesures, contrble et
rdgulation de consommation de carburant, vitesse de rotation, couple, temp6rature, etc. Ses
caractdristiques principales sont : . Nombre de cylindres : 4.
N° I DYNAMIQUE DES GAZ DE COMBUSTION 71
. A16sage : 88 mm.
. Course : 82 mm.
. Rapport volum6trique : 9,2 h 1.
. Puissance : 67,8 kW h 4 COO tr/mn.
. Diagramme de distribution 6chappement : ACE 39 DV RFE
= 8 DV.
Dans un premier temps, nous nous sommes limitds h l'dtude d'un 6coulement monodimen- sionnel. Pour cela, la tubulure d'dchappement d'un cylindre d'extrdmit6 du moteur a dtd
s6par6e du collecteur d'6chappement et remplacde par un tube rectiligne (Fig. 1). Ce demier
comprend deux sections de mesures. La premibre se trouve h 15 cm en aval de la soupape et la seconde h 90 cm de la premibre. Chacune de ces sections est 6quip6e de deux hublots plans de 20 mm de diambtre pour la mesure de vitesse par l'A.D.L. Le but de ce travail n'est pas d'effectuer une mesure prdcise (fine) de la vitesse de l'dcoulement prks de'la paroi (1 h 2 mm) pour expliquer le problkme de la couche limite, mais de ressortir les ph6nomknes importants
intervenant lors de la vidange des cylindres. En consdquence, l'utilisation d'un hublot plan prdconisd par [5] et [7] par rapport h un hublot cylindrique qui favorise les rdflexions parasites
est, comme nous le verrons plus loin, sans effet surle fond des ph6nombnes h dtudier. A 50 cm
plus loin de la seconde section, ce tube rentre dans une chambre de tranquillisation d'un volume de loo litres environ h la sortie de laquelle est installd un diaphragme pour la mesure du ddbit massique moyen d'dchappement.
1.2 SOLUTION RETENUE POUR L'ADAPTATION DE L'A.D.L. A L'#CHAPPEMENT DU
MOTEUR. Les hublots utilisds, de 25 mm de diambtre et 3 mm d'dpaisseur, sont situds sur
un manchon intercald dans la tubulure au moyen de deux brides folles (Fig.1). Leur
opacification partielle ne survient qu'aprbs environ 15 mn de fonctionnement, ce qui perrnet la
mesure des vitesses pour 2 h 3 points d'essai moteur.
L'ensemencement du flux gazeux est assurd par des particules de zircone [6, 7]. Ces demikres sont introduites dans la pipe d'dchappement trbs prbs de la soupape. Les fortes
pulsations de pression qui remontent alors dans 1e gdndrateur de particules conduisent h un caractbre discontinu de l'ensemencement et donc h une frdquence d'acquisition variable. Dans
ces conditions, l'utilisation de la rdception en rdtrodiffusion se rdvkle d'un rapport signal-bruit
trks faible. Nous avons donc utilisd la diffusion avant, le photod6tecteur se trouvant dans un
plan inclind de 175° par rapport au plan des faisceaux laser incidents.
L'ensemble de l'installation est reprdsentd figure 2. Un encodeur donne la position du
vilebrequin en discr6tisant 1e cycle moteur (720DV) en 1OOOintervalles. Un systkme d'acquisition sent d'interface entre l'encodeur, le compteur et1e micro-ordinateur. Le compteur
Brid.o pour fixer le manchon porte-hublot
l I I
St 52
'chappement
S e- ~ 90 em
Hubl oto
Fig. I. Tuyauterie d'dchappement.
[Exhaust pipe.]
cur angulaire
Moteur
i#)
I )
Encodeur Ordinateur
RMR (U)
(Photomulti- i cat eur)
~~ j ~~~ Compteur
~ p6riodes
« « 75
1 'F 2
. c e II uIe d e Bragg la s er
tub.
~' M61angeur
de fr6qu.nceo
Fig. 2. Ensemble de l'installation de l'A.D.L.
[Experimental setup.]
ne ddclenchel'acquisition de l'angle moteur que lorsqu'une information de vitesse est validde
nous obtenons ainsi un couple vitesse-angle de rotation du vilebrequin. Pour une durde
d'acquisition de 200 s par point de fonctionnement du moteur, nous calculons les valeurs
moyenndes sur un nombre de cycles du moteur compris entre 666 et 8 333 lorsque la vitesse de rotation varie de IOOO tr/mn h 5 COO tr/mn.
2. Rdsultats et interprdtation.
Aprbs la mise au point de l'agencement du banc d'essai, implantation sur les deux sections de
mesure des fendtres en quartz h faces planes parallbles, et mise au point de la chaine
andmom6trique Doppler laser, des mesures de vitesses instantandes des gaz d'dchappement ont dtd entreprises en balayant toute la plage de fonctionnement du moteur.
Les parambtres principaux rdgissant les essais sont essentiellement la vitesse de rotation du
moteur et1e couple imposd par1e frein hydraulique. Sur les figures reprdsentantles rdsultats
des mesures, on a reportd l'dvolution des vitesses instantandes (U en m/s) en fonction de
l'angle de rotation du vilebrequin (angle en DV) pendant un cycle complet (O-720 DV) pour diffdrents couples (1/4, 1/2, 3/4 et 4/4 de la charge maximale) et vitesses de rotation du moteur
(1 COO tr/mn h 5 COO tr/mn). Pour rattacher temporellement les mesures au fonctionnement du moteur, on a dgalement signald sur les figures les instants relatifs h l'ouverture et h la fermeture de la soupape d'dchappement (OE et FE).
2,I V#RIFICATION DE LA MONODIMENSIONNALIT# DE L'#COULEMENT. DaIIS la SeCti0I1 52
du tube d'dchappement et le long de son diambtre (R
= 18 mm), des mesures de vitesses
instantandes des gaz ont dtd effectudes tous les mm. D'aprbs ces rdsultats, on a constatd que I'£coulement dtudi£ est axisym£trique. De mdme, les mesures effectu£es dans trois points de la
premikre section (O, 8 mm et 8 mm, O sur l'axe) ont confirmd le mdme ph6nombne. Par
consdquent, le rdsultat donna sur la figure 3 ne conceme que le rayon du tube d'6chappement h la seconde section (O h 18 mm) pour diverses positions angulaires du moteur au point de
fonctionnement 2 530 tr/mn-70 N-m-
N° DYNAMIQUE DES GAZ DE COMBUSTION 73
X.2508
la I IV 0,0££
cwwle.70 1/2 chnr9e .220 IV
la
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4o
fQ o
-175
0 4 8 12 1£ x(m)
Fig. 3. V£rification de la monodimensionnalitd de l'dcoulement.
[Flow velocity along diameter tube.]
Sur cette figure, on remarque qu'en dehors de la couche limite (de 16 h 18 mm), la vitesse varie peu ; l'dcart entre les valeurs maximales et minimales est de l'ordre de 5 % sur la valeur moyenne. Dans cet dcart sont compris les scants dus aux variations de fonctionnement du moteur, lesquelles sont provoqudes par les arrdts momentan6s ndcessaires au nettoyage des hublots et par la dispersion d'un cycle h l'autre.
2.2 PROFILS DE viTEssEs (CONSTATATIONS G#N#RALES). La figure 4 montre un exemple
type de vitesse mesurde aux deux sections (Si et Si) pour le point de fonctionnement N
= 2 530 tr/mn et C
=
70 N-m- (demi-charge). Sur cette figure, on constate qu'en fonction
IInaxsl 103 MS Il . 2530 tr/nin
la Wwsl . ill MS I IV . Il,Il££ ns
Ilnaxs2 . 122 MS mwle . 7Il n.Il
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u i1Io » 54u 72u
Fig. 4. -Exemple de vitesse mesurde h Sj et S~.
[Example of measured velocity at Sj and S~.]
de la rotation du vilebrequin, la vitesse de l'6coulement est rdpartie dons deux intervalles, le
premier ayant pour limites [O, 141DV[U]368, 720 DV] et le second [141, 368 DV]. C'est
pr6cisdment h ces limites (141 et 368) que la soupape d'dchappement s'ouvre et se ferme.
Pendant le premier intervalle, la vitesse de l'dcoulement est pratiquement nulle h la premibre
section et oscille au voisinage de z6ro h la seconde. La nullitd de la vitesse pendant ce temps est tout h fait logique puisque l'intervalle considdr6 correspond h la phase fermde de la soupape
d'dchappement.
Pendant le deuxibme intervalle, correspondant h la phase proprement dite d'dchappement,
on constate que la vitesse de l'6coulement peut se ddcrire en trois p6riodes.
. Pendant la prem16re (intervalle not£ I sur la figure), la vitesse de l'dcoulement atteint son maximum. Pendant ce temps, le piston se trouve au point morn has avec une vitesse nulle ; les gaz s'6chappent du cylindre naturellement. Cette pdriode est appelde pdriode de la bouffde
d'dchappement ou de la vidange naturelle du cylindre.
. Pendant la deuxibme (intervalle notd II sur la figure), le piston s'approche du point morn haut avec une vitesse qui peut atteindre 60 m/s et vient chasser les gaz du cylindre, ce qui
provoque la remontde de la vitesse de l'dcoulement. Cette phase correspond h la pdriode de refoulement des gaz br01ds par le piston.
. Pendant la demibre pdriode (fin de la phase d'dchappement intervalle notd III sur la figure), le piston est en fin de course, la soupape est presque fermde, le cylindre est presque vide, la vitesse de l'dcoulement chute et tend vers une valeur moyenne pratiquement nulle h la
fin de cette phase.
Par ailleurs, on constate un ddcalage temporel (25 DV environ 1,6 ms h 2 SOD tr/mn) entre la vitesse mesurde h Si et celle mesurde h Si. Ce ddcalage correspond au temps qu'a mis une
particule fluide pour parcourir la distance Sisi.
On constate aussi que malgrd la baisse de la vitesse ddbitante moyenne de l'dcoulement,
(U~~~~~~~ =
18 m/s h Si, U~~~~~~~
=
16 m/s h Si), la vitesse maximale se trouve supdrieure h la seconde section : on note l03 m/s h Si et 122 m/s h Si.
Cette amplification de la vitesse et les oscillations d6jh remarqudes en dehors de la phase
ouverte de la soupape sont vraisemblablement li£es au phdnombne de la rdsonance acoustique
do h la g60mdtrie du tube d'dchappement.
2.3 INFLUENCE DE LA viTEssE DE ROTATION. Les figures 5 et 6 montrent les vitesses
mesurdes h Si et S~ pour un couple fixe h vitesse de rotation variable. Sur la figure repr6sentant
les rdsultats de la section Si (Fig. 5), on constate que pendant la p6riode de la bouffde et de refoulement, la vitesse des gaz est d'autant plus importante que la vitesse de rotation est
grande.
Concemant les r6sultats de la section S~ (Fig. 6), on constate une augmentation des vitesses maximales de la bouff6e et du refoulement quand la vitesse de rotation augmente, et cela
jusqu'h une valeur limite de 3 O15 tr/mn. Lorsque cette valeur est atteinte, on constate une stabilisation, voire une chute ldgbre de la vitese maximale de la bouffde, laquelle devient mdme infdrieure h celle du refoulement.
2.4 INFLUENCE DE LA CHARGE. Les figures 7 et 8 montrent les profits des vitesses mesurdes
aux deux sections (Si et S~) pour des couples diffdrents (1/4, 1/2, 3/4 et 4/4 de la charge maximale) et h une vitesse de rotation constante (1 130 tr/mn). Ces demikres montrent que
pendant la phase de la bouffde d'dchappement, la vitesse des gaz est d'autant plus grande que
le couple (charge) est important. Pendant la pdriode de refoulement, on remarque que, quel que soit le couple, la vitesse de l'6coulement est quasiment constante pour une vitesse de rotation fixe.
N° I DYNAMIQUE DES GAZ DE COMBUSTION 75
«MS)
vltesse nesur£m i la section sl
la mwle . 70 n-X
I/2 dwrm
la WWWW: Il . fi30 tr/nin
Wwx.103Ms
Ww. 18n/s
£o iK : . l138 tr/nin
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u i1Io » ~u 72u
Fig. 5. Influence de la vitesse de rotation du moteur sur la vitesse de l'dcoulement h Sj.
[Engine speed ifluence on the flow velocity at Sj.]
wn/s)
nes~s i la section
la mwle . 70 n-X
I/2 dwrw
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la IInax . 135 n/s
Ww . 21 n/s
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60 Ww . 2@ n/s
o
-so
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u ioo » ~u 72u
Fig. 6. Influence de la vitesse de rotation du moteur sur la vitesse de l'dcoulement h S~.
[Engine speed influence on the flow velocity at 52.1
par ailleurs, il est h signaler qu'aux hautes vitesses de rotation (m 3 SOD tr/mn), l'effet de la rdsonance acoustique affecte plus la p6riode de refoulement que celle de la bouffde h la section S~ (Figs. 9 et lo). Ainsi, on note une amplification des vitesses de l'6coulement, lesquelles atteignent, voire ddpassent, la vitesse maximale de la bouffde. A titre d'exemple, on note (Fig, lo) une vitesse maximale de 190 m/s pendant la p6riode de refoulement et une
vitesse maximale de 130 m/s pendant la p6riode de la bouff6e.
Comme mentionn6 dons le paragraphe I.I, le tube d'dchappement ddbouche dons une
chambre de tranquillisation. Cette demibre se remplit d'autant plus vite que la vitesse de
wn/s)
vitmwz neu~&z i la sectim Sl
la . l13o
1w . 0,140 ns
la
so
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Fig. 7. influence du couple de frein sur la vitesse mesurde h Sj.
[Torque influence on the measured velocity at Sil
wn/s)
vitessm newdm la section 52
la . l13o tr/«in
I w . 0,14o ns
3/4 l~nax
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. 5 n/s
la
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u la » ~u 72u
Fig. 8. -Influence du couple de frein sur la vitesse mesurde h S~.
[Torque influence on the measured velocity at S~.]
rotation du moteur est plus grande. A partir d'une vitesse de rotation limite (trouvde dans notre cas voisine de 3 SOD tr/mn), le volume de cette chambre qui joue le rble d'un ressort rentre en
rdsonance en provoquant un ph6nombne d'ondes de compression et de ddtente importantes.
Les incidences de ce ph6nombne sont visibles sur les figures 4, 6, 9 et lo commentdes dans la section 2.
2.5 R#CAPITULATION (PtRioDEs D'tCOULEMENT). Un schdma reprdsentatif des diffdrentes
pdriodes d'dcoulement est donn6 figure I I. Sur ce demier, nous ne prdtendons pas rdsumer les
N° I DYNAMIQUE DES GAZ DE COMBUSTION 77
~~'~~
de dwrw vi~sses neM&z I la section
la dlarge Il . @00 tr/nin
de dwrw 10V . 8,047 ns
la . 2wi n/s
. 146 n/s
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so
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of if wnidflv)
u iw » ~u 72u
Fig. 9. Influence de la r£sonance acoustique sur la pdriode de refoulement (N
= 3 500 tr/mn).
[Acoustic resonance influence on the exhaust stroke period (N
=
3 500 tr/mn).]
nesur£es I la section
1E0 190 n/s Il . 4500 tr/nin
0V . Il,037 m
la WWf: in de dwrw
Wwx hwff£e 100 n/s
~ I/2 charge
£o &wx Nuff£e . 130 n/s
«
0 ~
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u la » ~u 72u
Fig. lo. Influence de la rdsonance acoustique sur la p£riode de refoulement (N
=
4 500 tr/mn).
[Acoustic resonance influence on the exhaust stroke period (N
=
4 500 tr/mn).]
explications complexes du mode de vidange du cylindre, mais montrer seulement comment sont rdparties les diffdrentes phases d'dchappement pendant un cycle moteur en fonction de la levde de la soupape d'dchappement.
. Pdriode de la bouj$de. La dynamique de l'dcoulement augmente avec la vitesse de
rotation et le couple imposd (on note environ 150 m/s hSj et 180 m/s hS~). Aux hautes vitesses de rotation (~ 3 SOD tr/mn), la vitesse maximale de l'dcoulement se stabilise.
. Pdriode de refoulement. La dynamique de l'dcoulement augmente uniquement avec la vitesse de rotation. A partir de 3 SOD tr/mn et particulibrement h la seconde section, la vitesse
maximale de l'dcoulement atteint et ddpasse celle de la bouffde.
