1
EVOLUTION DE LA TEMPERATURE DE FROTTEMENT D’UN PISTON AUTOMOBILE
KHATIR Tawfiq1, BOUCHETARA Mostefa2, DJAFRI Mohamed3
1 Centre universitaire de NAAMA -salhi ahmed –, [email protected]
2 Université des Sciences et de la Technologie d’Oran Mohammed Boudiaf USTO, [email protected]
3 Ecole superieure des techniques aeronautique dar el beida [email protected] Résumé
Cette étude présente l’analyse du comportement thermique de piston d’un moteur diesel .L’étude est apprécier le choix de matériaux utilisé dans la fabrication de piston en se basent sur les contraintes thermique.
La méthode de calcul des contraintes utilisée les éléments finis dans la résolution a été fait numériquement a l’aide de logiciel ANSYS conçu pour les calculs des structures. Les résultats obtenus ont été comparés pour choisir le matériau le plus compatible et qui résiste la température de combustion.
Au bout de ce travail nous avons conclu que le meilleur matériau est l’alliage d’aluminium.
Mots clés: Piston, Diesel, matériau, contrainte thermique, logiciel ANSYS.
NOMENCLATURE Symbols :
Q
la quantité de chaleur
transférée (Joule) Greek Letters:φ
flux de t
hermique, W.s
1. INTRODUCTION
Le piston est une pièce rigide, de forme généralement circulaire, coulissant dans un cylindre de forme complémentaire. .En effet, il permet de comprimer le mélange de carburant et de gaz extérieur en vue d’une explosion, puis il transforme le tout en énergie thermique, et ensuite en énergie mécanique[1-2].
Le piston ne transmet pas seulement la poussée des gaz au vilebrequin à travers la bielle, mais il doit assurer aussi l’étanchéité de la chambre de combustion grâce aux segments afin d’empêcher le passage des gaz de combustion dans le carter d’huile et de l’huile de graissage dans la chambre de combustion.
Le choix du matériau du piston est un facteur prépondérant dans les étapes de conception des moteurs à combustion interne et ce, en raison des contraintes liées aux performances du moteur et à la fiabilité des parties mobiles [3-4].
La présente étude consiste en une appréciation du choix d’une variante parmi un ensemble de Matériaux utilisés (Acier, alliage d’aluminium et Fonte grise).
Nous allons dans un premier temps examiner les études numériques concernant le piston On utilise le code du calcul ANSYS 17.1. Nous examinerons ensuite les travaux portants sur les échanges thermiques
2
spécifiques au piston ; et faire des détails des études faites sur la modélisation du champ de la température dans le piston.
Le piston peut être décomposé en trois parties principales : tête, jupe et le logement d’axe (trou d’axe) [5] :
FIGURE 1. Dessin schématique du piston 2. Flux thermique
Le flux thermique ou flux de chaleur est un transfert d'énergie interne réalisé entre deux milieux de températures Ti différentes (du corps le plus chaud vers le corps le plus froid), ce qui produit à terme une égalisation des températures des deux corps en contact.
On définit le flux thermique ∅ (en W) comme la puissance (thermique) transférée à travers le matériau. Sa valeur est reliée à la quantité de chaleur transférée Q (Joule) pendant une durée Δ𝑡 (seconde) [6].
∅ = 𝑄
Δ𝑡 (1) Lorsque ce flux thermique traverse une surface, on obtient une densité de flux de chaleur notée telle que :
∅ =∅
S (2) Cette densité de flux de chaleur est exprimée en watt par mètre carré (W/m2).
3. Les étapes de simulation numérique Les étapes de simulation numérique se présentent dans la figure ci-dessous :
F
IGURE2 .
Les Etapes de simulation numérique3 3.1. Modèle géométrique
Le piston est modélisé avec le logiciel SolidWorks 2012 avec ses dimensions réelles données dans les figures ci-dessous . Ce modèle sera ensuite exporté vers Ansys Workbench.
FIGURE 3. Vue de dessus, face, et dessous des cotations intelligentes de la pièce 3.2. Maillage
Le piston est modélisé par un maillage tridimensionnel à éléments tétraédriques (TE 10) à 10 Nœuds. Ce dernier a été obtenu automatiquement à l’aide des options d’ANSYS WORKBENCH.
FIGURE 4. Maillage de piston d’étude
Tableau 1 .Propriétés du maillage 3.3.Répartition du champ de températures dans le piston en acier
Nombre des nœuds Nombre des éléments
61349 298938
4
On présente dans les figures ci-dessous la répartition de champ de température pour le matériau en acier.
En considérant les vues en perspectives pour permettre de visualiser la distribution des températures du piston.
t=0 s t=0,55s
t=0,88s t=1s
FIGURE 5. Champ de température pour différents instants dans un piston en Acier 3.4. Répartition du champ de températures dans le piston en alliage d’aluminium
On présente dans les figures ci-dessous la répartition de champ de température pour le matériau en alliage d’aluminium. En considérant les vues en perspectives pour permettre de visualiser la distribution des températures du piston.
5
t =0,11s t=0.55s
t=0,88s t=1s
FIGURE 6. Champ de température pour différents instants dans un piston en en alliage d’aluminium 3.5. Répartition du champ de températures dans le piston en Fonte grise
On présente dans les figures ci-dessous la répartition de champ de température pour le matériau en Fonte grise. En considérant les vues en perspectives pour permettre de visualiser la distribution des températures du piston.
t=0,11s t=0,66s
t=0,88s t=1s
6
FIGURE 7. Champ de température pour différents instants dans un piston en fonte grise FGL D’après les résultats illustrés dans les figures précédentes (5, 6 et 7) on remarque que les valeurs instantanées des températures décroissent progressivement du haut vers le bas du piston.
La tête reste toujours la région critique contrairement à la jupe et aux bossages intérieurs du piston quel que soit le matériau.
Les valeurs maximales de température obtenues respectivement pour l’acier, l’alliage d’aluminium et la fonte grise sont 433,57 °C, 391,03 °C et 441,93 °C.
FIGURE 8. Les températures maximales selon le type du matériau
On remarque que la température prend la valeur maximale dans le bord supérieur du creux puis elle diminue vers l’intérieur pour les trois matériaux ainsi que le meilleur matériau utiliser pour le piston c’est l alliage d’aluminium.
4. CONCLUSIONS
Cette
étude comprend une analyse thermique qui a été faite sur un
piston KOLBEN d’un moteur diesel (RENAULT) pour différents matériaux (acier, alliage d’aluminium et la fonte grise).
Dans cette étude, on a pu déterminer la répartition du champ de température; l’un des facteurs vulnérables aux matériaux des pistons.
Les pistons doivent avoir une bonne conductibilité thermique, et une rigidité suffisante, afin de réduire la déformation et éviter donc les fissures.
La comparaison des résultats obtenus des différents matériaux nous, a permis de connaitre le piston le moins sollicité et par conséquent le plus performant et le plus adéquat.
En fin la réalisation de ce projet nous a permis d’approfondir nos connaissances dans le domaine de la simulation numérique surtout en ce qui concerne les pistons des moteurs.
REFERENCES BIBLIOGHRAPHIES 360
370 380 390 400 410 420 430 440 450
Acier Alliage d'aluminum
Fonte grise 433.57
391.03
441.93
Température maximale [C°]
Matériau de piston
7
[1]
Aligrot, C., (1994). Etude expérimentale et théorique du délai d'auto-inflammation de différents carburants dans une chambre de combustion à volume constant, ECOLE CENTRALE DE LYON.[2]
Woshni G., (1992)., A univertally applicable equation for the instantaneous heat transfer coefficient in the internal combustion engine. SAE paper N°920232.[3]
Mechalikh Mustapha., (2010). Simulation thermomécanique d’un piston de moteur diesel à injection directe par le logiciel abaques : influence du matériau .[4]
KETROUCI Laid., (2009). Effet de la lubrification d’un piston sur la performance d’un moteur à combustion interne.[5]
MEDJDOUB .S M, ABDESSOUFI .B, MILOUD. T A, BOUNIF. A.,(2010). Etude numérique du comportement thermomécanique sur le choix du matériau d’un piston à combustion interne.Marrakech, Maroc.
