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RÉSUMÉ
La législation européenne en matière de pollution limite les émissions de CO2 des voitures. Lorsqu'on analyse le fonctionnement des moteurs, il apparaît que la formation et les traitements des émissions polluantes sont essentiellement associés à des processus thermochimiques complexes fortement dépendants des paramètres thermiques. L’aspect énergétique des transferts thermiques au sein des moteurs est donc de plus en plus un élément dimensionnant.
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Lire l’articleAuteur(s)
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Alain ALEXANDRE : Responsable Analyse Système au Laboratoire d’Études Thermiques de l’ENSMA
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Ludovic TOMASELLI : Responsable Métier Adaptation Échanges Thermiques et Transferts Fluides PSA Peugeot Citroën - Direction Plates-formes techniques et Achats
INTRODUCTION
La situation européenne en matière d’émissions de CO2 (représentative de la consommation) par les voitures particulières est conditionnée par l’engagement des constructeurs dans le cadre de l’ACEA (Association des constructeurs européens d’automobiles) visant à limiter ces émissions à 120 g/km d’ici 2012.
L’analyse de la surconsommation des moteurs à combustion interne corrobore le caractère prédominant des paramètres thermiques associés aux trajets de courtes distances inférieures à 3 km (47 % de l’utilisation courante d’un véhicule) conduisant à une surconsommation de 80 % par rapport à un trajet de 10 à 50 km.
À cela s’ajoutent les législations antipollution. Grâce à l’amélioration des technologies d’injection, à une meilleure connaissance des phénomènes de combustion et à l’avènement des systèmes de post-traitement, les émissions polluantes ont été réduites progressivement et ne représentent aujourd’hui que le dixième du niveau des années 1980. Là encore, la formation et les traitements des émissions polluantes sont essentiellement associés à des processus thermochimiques complexes fortement dépendants des paramètres thermiques (la tendance est à l’utilisation généralisée d’éléments de catalyse nécessitant des températures de fonctionnement supérieures à 300 ˚C).
L’aspect énergétique des transferts thermiques au sein des moteurs est donc de plus en plus un élément dimensionnant de ces machines.
Cette étude se compose de deux articles :
-
[BM 2 900] Analyse des transferts énergétiques dans les moteurs automobiles ;
-
Modélisation des transferts thermiques dans les moteurs automobiles.
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5. Conclusion sur l’analyse énergétique
Les pertes énergétiques rencontrées dans un moteur à combustion peuvent être appréhendées de différentes manières (figure 14). D’un point de vue thermodynamique, les pertes principales sont les échanges convectifs et radiatifs entre les gaz et les parois de la chambre et le résidu thermique présent dans les gaz d’échappement. À elles deux, ces pertes représentent jusqu’à 60 % de la puissance injectée et amènent à un rendement de l’ordre de 40 %.
De manière élargie, la puissance indiquée ne se retrouve pas entièrement en puissance mécanique utile. Les architectures mécaniques utilisées ne peuvent totalement annuler les pertes par frottements qui représentent 10 % de la puissance mécanique indiquée (soit 4 % de la puissance carburant). De plus, une part de l’énergie mécanique reste nécessaire à l’entraînement des accessoires (5 % de la puissance carburant).
Vu de l’extérieur du système, l’ensemble des pertes énergétiques se retrouve sous forme thermique dans le fluide de refroidissement (20 %), le fluide de lubrification (5 %) et l’échappement (40 %), ce qui conduit à un rendement global du moteur de l’ordre de 35 % (voir figure 15). Comme nous l’avons vu dans notre analyse détaillée, le cheminement et le niveau des pertes énergétiques dépendent d’un grand nombre de paramètres synthétisés dans le tableau 9.
Notamment dans les phases thermiques transitoires, les paramètres thermiques (températures de l’eau et de l’huile) sont des facteurs prédominants dans les échanges énergétiques. Durant les premières secondes du fonctionnement du moteur, la température du fluide de refroidissement est naturellement basse. Le fort gradient thermique (eau/matière) résultant a pour conséquence une augmentation du niveau des pertes énergétiques aux parois de la chambre. De même, le niveau supérieur...
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BIBLIOGRAPHIE
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(1) - HABSCHI (F.) - Étude expérimentale et numérique des transferts de chaleur en contact lubrifié localisé en vue d’une application aux moteurs - . Thèse de Doctorat de l’Université de Paris VI, 1992.
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(2) - SITKEI (G.), RAMANAIAH (G.V.) - A rational approach for calculation of heat transfert in Diesel engines - . SAE Paper no 720027, 1972.
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(3) - BORMAN (G.), NISHIWAKI (K.) - Internal combustion engine heat transfert - . Progress in energy and combustion science, Vol. 13, pp. 1-46, 1987.
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(4) - OVERBYE (V.D.), BENNETHUM (J.E.), UYEHARA (O.A.), MYERS (P.S.) - Unsteady heat transfer in engines - . SAE Trans., Vol. 69, pp. 461-194, 1961.
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(5) - SEAL (W.J.), TAYLOR (D.H.C.) - Spatial variation of heat transfer to piston and liners of some medium speed Diesel engines - . Proc. Inst. Mech. Eng., Vol. 185 17/71, pp. 203-218, 1971.
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