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RÉSUMÉ
C’est en raison de leur nombre plus important de processus physiques et chimiques que les modèles de moteurs à allumage par compression se distinguent des moteurs à allumage commandé. Cet article propose, après un bref rappel des phénomènes mis en jeu, une description des différents modèles de combustion. Une présentation est faite d'abord des modèles de combustion phénoménologique (double phase de Vibe et phase de Vibe suivie d’une hyperbole). Les modèles de combustion à une zone sont ensuite abordés (modèle d’évaporation, modèle de délai d’auto-inflammation, modèle de combustion de prémélange, etc). Pour terminer, le modèle de combustion multizone est étudié (évolution temporelle des paquets, modèle de pénétration, modèle de mélange, etc).
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Lire l’articleAuteur(s)
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Pascal HIGELIN : Professeur à l’Université d’Orléans - Laboratoire de Mécanique et Énergétique
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Thierry JAINE : Docteur ingénieur Motoriste – Peugeot Citroën Automobile
INTRODUCTION
Les modèles de moteurs à allumage par compression, encore appelés moteurs Diesel ou CI (Compression Ignition), se distinguent des modèles de moteurs à allumage commandé, ou SI (Spark Ignition), par la prise en compte d’un nombre beaucoup plus important de processus physiques et chimiques. En effet, le dégagement de chaleur dans les moteurs à allumage commandé homogènes est essentiellement contrôlé par la vitesse de propagation du front de flamme et donc par l’aérodynamique interne de la chambre de combustion , alors que dans les moteurs à allumage par compression il faut prendre en compte l’injection et la pulvérisation du carburant, la vaporisation des gouttelettes, les mécanismes chimiques d’initiation de la combustion et enfin la combustion. Le présent dossier se focalise uniquement sur la modélisation des phénomènes physiques et chimiques mis en jeu lors de la combustion Diesel, sachant que les modèles généraux aux moteurs suivants ont été traités dans les dossiers et :
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approche thermodynamique zérodimensionnelle ;
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modèle thermodynamique des gaz ;
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modèle de pertes aux parois ;
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modèle cinématique ;
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modèle de transvasement.
Les modèles de moteurs à allumage par compression issus de la littérature couvrent un spectre très large, depuis les modèles empiriques qui incorporent très peu de physique, jusqu’à des modèles multizones détaillés incorporant l’ensemble des modèles généraux évoqués plus haut, en passant par des modèles de complexité intermédiaire généralement à une seule zone. Le choix du type de modèle dans un contexte donné sera dicté par le compromis précision/ vitesse de calcul.
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3. Modèles de combustion à une zone
Par rapport aux modèles phénoménologiques, l’objectif des modèles de combustion à une zone est de proposer une approche basée sur la physique pour être prédictif sur les grandeurs de sortie (pression cylindre P cyl , taux de dégagement de chaleur dQ c /dt…) lors de la variation des paramètres d’entrée (suralimentation, recirculation des gaz d’échappement, avance à l’injection, durée d’injection, régime du moteur…).
Les modèles à une zone sont également appelés modèles 0D ou zérodimensionnels car ils prennent en compte les variations temporelles des variables, mais considèrent que toutes les grandeurs intensives (pression, température, concentrations) sont uniformes dans le volume de la chambre de combustion. Cette hypothèse est bien entendu discutable, dans la mesure où la combustion dans les moteurs Diesel est très hétérogène. Les aspects dimensionnels des phénomènes physiques mis en jeu doivent alors être pris en compte par des paramètres ajustés sur des données expérimentales, le modèle, en raison de sa nature, n’étant pas capable de les déterminer.
Ces modèles de combustion à une zone font intervenir de nombreux sous-modèles pour décrire les phénomènes présents lors de la combustion Diesel (figure 1). Les différents domaines abordés par ces sous-modèles dans ce paragraphe sont :
-
la vaporisation du carburant ;
-
le délai d’auto-inflammation ;
-
la combustion de prémélange ;
-
la combustion de diffusion ;
-
la turbulence.
Ces différents modèles interagissent naturellement entre eux. La turbulence dans la chambre de combustion, décrite à travers la densité d’énergie cinétique turbulente k, en m2/s2, intervient par exemple lors de l’évaporation ...
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Modèles de combustion à une zone
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BIBLIOGRAPHIE
-
(1) - GUIBERT (P.) - Modélisation du cycle moteur. Moteurs à allumage commandé. - Machines hydrauliques et thermiques. Techniques de l’Ingénieur , janv. 2005.
-
(2) - GUIBERT (P.) - Modélisation du cycle moteur. Approche zérodimensionnelle. - Machines hydrauliques et thermiques. Techniques de l’Ingénieur , janv. 2005.
-
(3) - HEYWOOD (J.B.) - Internal Combustion Engine Fundamentals. - McGraw-Hill, ISBN 007028637X (1988).
-
(4) - HIGELIN (P.) - Huiles végétales – Biocombustible Diesel. Incidence des aspects thermiques liés au type de moteur sur la combustion. - Thèse de l’Université d’Orléans (1992).
-
(5) - VIBE (I.I.) - Brennverlauf und Kreisprozess von Verbrennungsmotoren. - VEB Verlag Technik, BERLIN (1970).
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(6) - MIYAMOTO (N.), CHIKAHISA (T.), MURAYAMA (T.),...
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