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Article de référence | Réf : BM2902 v1

Modèle thermodynamique à plusieurs zones
Modélisation thermique des moteurs - Modélisation de la combustion

Auteur(s) : Alain ALEXANDRE, Ludovic TOMASELLI

Date de publication : 10 janv. 2007

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RÉSUMÉ

Le modèle parfait d'un moteur doit permettre de suivre son évolution temporelle thermique, ainsi que sa consommation en carburant. La modélisation du moteur est ici décrit dans son intégralité et en particulier celle de la combustion, dont les éléments clés sont rappelés en détail. Par la suite, le modèle thermodynamique à une zone, puis le modèle thermodynamique à plusieurs zones (modèle à deux zones et modèle à zones multiples de gaz brûlés) sont très largement étudiés. Pour terminer, une étude de l’architecture du logiciel de combustion est proposée, à l’aide de certains aspects, tels que la modélisation du remplissage et de la vidange du cylindre à travers les soupapes, la loi de combustion, ou encore l’exploitation du modèle de combustion.

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ABSTRACT

The perfect engine model should make it possible to follow its thermal evolution over time as well as its fuel consumption. The modeling of the engine is described here in its entirety and in particular that of its combustion, whose key elements are described in detail. After which, the one-zone thermodynamic model, then the multi-zone thermodynamic model (two-zone model and multi-zone model for waste gases) are studied in depth. In conclusion, a study of the combustion software architecture is proposed, using certain aspects, such as the model of the cylinder being filled and emptied through the valves, the law of combustion, and the combustion model in operation.

Auteur(s)

INTRODUCTION

Le dossier Analyse des transferts énergétiques dans les moteurs automobiles portait sur la phénoménologie des transferts thermiques dans les moteurs à combustion interne. Ce dossier, complément du dossier Modélisation thermique des moteurs- Outils numériques généraux, décrit la modélisation du moteur dans son intégralité à l’exception des conditions limites et en particulier de l’apport en flux provenant de la combustion interne dans les cylindres. Rappelons que le but final est une modélisation énergétique globale d’un moteur Diesel permettant de mettre en situation un moteur complet muni de ses boucles de refroidissement. Ce modèle, associé à un profil de mission et à un environnement externe en température, doit permettre de simuler l’évolution temporelle thermique du moteur ainsi que sa consommation en carburant pour une architecture et un pilotage des boucles de refroidissement donnés.

Le dossier Modélisation thermique des moteurs- Outils numériques généraux a montré quel était le choix possible pour analyser sur le plan thermique et fluidique le moteur dans sa globalité. Le concept nodal y a été retenu ; il permet de transposer l’intégralité des équations à traiter en un réseau de conductances, capacités et sources analogue à un réseau électrique. Il est nécessaire d’y adjoindre, dans le même esprit, l’effet thermique lié à la combustion et aux frottements. Le présent dossier va donc décrire une méthode simple et efficace de prise en compte des sources thermiques liées à la combustion.

Cette modélisation des sources de chaleur internes au moteur peut par ailleurs être utilisée séparément de la modélisation proposée au prix de modifications légères.

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DOI (Digital Object Identifier)

https://doi.org/10.51257/a-v1-bm2902


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3. Modèle thermodynamique à plusieurs zones

3.1 Modèle à deux zones

Le modèle à deux zones représente la phase de combustion de façon plus réaliste que le modèle à une zone. La chambre de combustion est en effet divisée en deux zones distinctes lors de cette phase, la zone séparant les gaz frais des gaz brûlés s’apparente alors à un front de flamme (figure 4).

La température de chaque zone est supposée uniforme. Si cette hypothèse sur la température est justifiée pour les gaz frais, elle est en revanche discutable pour les gaz brûlés, puisqu’il existe en réalité un gradient de température significatif entre les deux zones. La composition dans chaque zone, est généralement supposée constante pour les gaz frais, alors que les gaz brûlés sont considérés à l’équilibre thermodynamique. La pression est supposée uniforme dans toute la chambre. Les transferts de chaleur entre les deux zones sont habituellement négligés.

L’application à chaque zone de l’équation de la conservation de l’énergie peut s’écrire :

avec :

Qp
 : 
quantité de chaleur échangée à la paroi
u
 : 
énergie interne par unité de masse.

Le terme dm c/dt représente la vitesse massique de combustion, c’est-à-dire le transfert de masse depuis la zone de gaz frais vers la zone de gaz brûlés. Les termes dm fgf /dt et dm f, gb/dt représentent les débits de fuite massiques des gaz frais et brûlés à travers les segments.

L’équation d’état des gaz appliquée à chaque zone permet d’écrire :

p Vgf = mgf rgf Tgf
...

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BIBLIOGRAPHIE

  • (1) - BLUMBERG (P.N.), LAVOIE (G.A.), TABACZYNSKI (R.J.) -   Phenomenological models for reciprocating internal combustion engines.  -  Progress in energy and combustion science (1979).

  • (2) - RYAN (T.W.), LESTZ (S.S.) -   The laminar burning velocity of isooctane, n-heptane, methanol, methane and propane at elevated temperature and pressures in a presence of dillutent.  -  SAE Paper No 800103 (1980).

  • (3) - RAMOS (J.J.) -   Internal combustion engine modelling.  -  Hemisphere publishing corporation (1989).

  • (4) - GHOJEL (J.) -   Analytical heat release function for DI Diesel engines.  -  4th Asian-Pacific international symposium on combustion and energy utilization (1991).

  • (5) - LE CORRE (O.), ROUSSEAU (S.), SOLLIEC (C.) -   One zone thermodynamic model simulation of a stationnary spark ignition engine : static and dynamic performances.  -  SAE Paper No 982694 (1998).

  • (6) - TORREDEME...

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