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RÉSUMÉ
Les moteurs automobiles modernes ont considérablement évolué au rythme imposé par la limitation des émissions polluantes et par la baisse de la consommation de carburant. Aussi, le système d'admission d'air s'est énormément complexifié, devenant un sous-ensemble regroupant des fonctions très diverses imposant l'utilisation d'un ou plusieurs échangeurs thermiques, d'actionneurs, de capteurs et de pièces de formes diverses qu'il faut savoir modéliser et dimensionner. Cet article propose un tour d'horizon des technologies actuelles et des prochaines évolutions.
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Laurent ODILLARD : Ingénieur Avance de phase Thermique moteur Valeo Systèmes thermiques
INTRODUCTION
Lors de l'introduction des refroidisseurs d'air de suralimentation dans les années 1990, l'échangeur était dimensionné comme un simple composant défini par sa puissance thermique et sa perte de charge, fonction du débit d'air d'admission et de la vitesse de l'air en face avant du véhicule.
Les dernières améliorations des moteurs en matière de réduction de la consommation et de leur conformité avec des normes antipollution de plus en plus exigeantes ont poussé à une augmentation du besoin de refroidissement des gaz de suralimentation. L'introduction du cycle harmonisé WLTC (Worldwide harmonized Light vehicles Test Cycle) accentuera cette tendance par la nécessité d'une augmentation du taux de gaz recyclés (EGR – Exhaust Gas Recirculation) sur des points moteur plus chargés.
La tendance au « downsizing » et au « downspeeding » des moteurs contraint clairement les motoristes à une meilleure intégration de la fonction de refroidissement des gaz en aval du compresseur pour laquelle de nouvelles exigences et fonctionnalités se font sentir, telles que :
-
une importante diminution de la perte de charge afin d'augmenter la pression en amont des soupapes d'admission : cela équivaut à une augmentation de la pression de suralimentation ;
-
une réduction du volume d'air en aval du compresseur afin de réduire les temps de réponse (« time to torque ») ;
-
une stabilité de la température en aval de l'échangeur : elle doit être moins dépendante des conditions de roulage (vitesse véhicule) et de la stratégie de dépollution (taux EGR haute et basse pression) ;
-
la possibilité de contrôler la température en aval de l'échangeur en fonction des points de fonctionnement moteur, de la stratégie de dépollution (problématique de condensation en EGR basse pression, régénération du filtre à particules) ou de vie du moteur (amélioration des démarrages à froid, réduction du « light off » catalyseur) ;
-
une augmentation des performances thermiques et la limitation des échauffements parasites en aval de l'échangeur ;
-
l'ajout de fonctionnalités actives (boîtier papillon, doseur d'air, vanne EGR, volet de swirl, désactivation de cylindre, etc.) ;
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une compatibilité avec l'ensemble des plateformes véhicule du ou des constructeurs.
Ce besoin d'intégration de la fonction refroidissement des gaz de suralimentation pousse à étudier l'ensemble des composants de la sortie compresseur aux soupapes d'admission comme un système multicomposant appelé « module d'admission » ou « ligne d'air de suralimentation ».
Le présent article traitera de la modélisation des composants de la ligne d'air d'admission, des différentes architectures connues et présentera les principales voies d'amélioration des architectures actuelles.
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- Version courante de juin 2023 par Laurent ODILLARD
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3. Architectures usuelles de la ligne d'air de suralimentation
ce qui suit ne concerne que les moteurs suralimentés équipés d'un système de refroidissement des gaz de suralimentation.
3.1 Rappel au sujet de la modélisation des échangeurs
Par définition, lorsque nous souhaitons caractériser une tubulure ou une canalisation dans laquelle circule un fluide, il est intéressant de connaître :
-
la perte de charge aux bornes de la conduite ;
-
la puissance thermique échangée.
Dans ce type de modélisation stationnaire, nous considérons le débit de fluide constant. Dans ce cas, la perte de charge, pour une section de passage donnée, est représentée par :
( 4 )
( 5 )
avec :
- ΔP :
- (Pa) perte de charge statique,
- Qm :
- (kg/s) débit massique de fluide dans la conduite,
- ρm :
- (kg/m3) masse volumique moyenne du fluide,
- f :
- coefficient de frottement,
- fc :
- coefficient de frottement à Rec ,
- Re :
- régime d'écoulement (nombre de Reynolds),
- Rec :
- régime d'écoulement critique (passage de laminaire à transitoire et de transitoire à turbulent),
- Pente :
- exposant en régime laminaire, transitoire ou turbulent.
Dans le même esprit, l'échange thermique entre deux fluides séparés par une paroi pourra être modélisé assez simplement en...
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BIBLIOGRAPHIE
-
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(3) - KÖNIGSTEDT (J.), ASSMANN (M.), BRINKMANN (C.), EISER (A.), GROB (A.), JABLONSKI (J.), MÜLLER (R.) - The new 4.0-l V8 TFSI engines from Audi. - Internationales Wiener Motorensymposium (2012).
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(4) - NEUSSER (H.-J.), KAHRSTEDT (J.), JELDEN (H.), ENGLER (H.-J.), DORENKAMP (R.), JAUNS-SEYFRIED (S.), KRAUSE (A.) - Volkswagen's new modular TDI® generation. - Internationales Wiener Motorensymposium (2012).
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(5) - KAHRSTEDT (J.), DORENKAMP (R.), KUIKEN (S.), GREINER (M.), KÜHNE (I.), NIGRO (G.), DÜSTERDIEK (T.), VELDTEN (B.), THÖM (N.) - The new 2.0 l TDI® to fulfill...
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