Variabilité aérodynamique d'un moteur à combustion interne pendant la phase d'admission (Vers l'origine des fluctuations cycliques)

Abstract

La connaissance des mouvements aérodynamiques dans la chambre de combustion est un enjeu majeur pour optimiser le rendement des moteurs à combustion interne, et réduire ainsi les émissions polluantes. Les travaux présentés ici analysent les fluctuations cycle à cycle du champ aérodynamique pendant la phase d'admission d'un moteur 4 temps dans le but de discriminer les principaux phénomènes influents sur cette variabilité au point mort bas. Deux étapes permettent une approche progressive de la complexité de l'écoulement (turbulence, confinement, géométrie déformable). Dans une première étape, le système d'admission est caractérisé dans une configuration à géométrie fixe (banc volute). Des mesures de vitesse effectuées par imagerie de particules (TRPIV à une cadence de 10kHz) mettent en évidence différents types d'instationnarités : un mécanisme de battement du jet lié au confinement de l'écoulement et la génération de structures tourbillonnaires dans les couches de cisaillement. Les caractéristiques spatio-temporelles de ces instationnarités sont quantifiées par des techniques avancées de traitement du signal (POD). Elles sont en bon accord avec celles déduites d'une simulation numérique des grandes échelles (LES) réalisée dans la même configuration. Dans une seconde étape, l'écoulement est caractérisé sur banc moteur monocylindre optique. Les résultats montrent que les fluctuations acoustiques et aérodynamiques en amont de la soupape influent très peu sur la structure et la variabilité de l'écoulement dans la chambre de combustion. Les fluctuations du champ aérodynamique au point mort bas sont principalement liées au battement du jet de soupape au cours de la phase d'admission.Knowledge of airflow in the combustion chamber is of great interest to improve the performance of internal combustion engines, thereby reducing emissions. Present work analyzes cycle to cycle fluctuations of aerodynamics flow during the intake part of a 4-stroke engine in order point out main phenomena leading to cycle to cycle fluctuations at the low break-even point. Two stages allow a gradual approach to the complexity of the flow (turbulence, confinement, moving geometry). In a first step, the admissions system is characterized on a steady flow test bench. High speed particle image velocimetry measurements (TR-PIV) highlight different types of instationnarities: the flapping of the valve jet and the generation of vortex structures in shear layers. The spatial and temporal characteristics of these instationnarities are quantified by advanced signal processing (POD). They are in good agreement with those derived from a Large Eddy Simulation (LES) carried out in the same configuration. In a second step, the flow is studied using an optical motored engine. Results show that acoustic fluctuations and aerodynamic variability upstream the valve have very little influence on the structure and variability of the flow into the combustion chamber. Fluctuations in the aerodynamic field at the low break-even point are primarily related to the flapping valve jet during the intake stroke.LYON-Ecole Centrale (690812301) / SudocSudocFranceF