Help_File_ETorque

 

 

 

LOGICIEL DE CALCUL DES GRANDEURS THERMIQUE, FLUIDIQUE & MECANIQUE D’UN MOTEUR A COMBUSTION INTERNE

 

 

Retour à l’index

 

 


 

 

SOMMAIRE

 

0 Installation et mise en route

 

1 Mise en donnée

 

            1.1 Topologie-Paramètres de combustion & transfert thermique

            1.2 Diagrammes -  Levée soupapes – Perméabilité culasse

            1.3 Topologie des conduits d’admission & d’échappement

            1.4 Caractéristiques du Plenum et du Manifold

            1.5 Turbomachine – Waste Gate - Echangeur

            1.6 Caractéristiques de l’air externe & physico-chimique du carburant

 

2 Utilisation du Solveur

 

            2.1 Paramétrage du modèle et utilisation du solveur

            2.2 Mapping et Calcul incrémental

 

3 Exploitation des résultats

 

            3.1 Constantes

 

            3.2 Cinématique

                3.2.1 Course Piston

                3.2.2 Angle Bielle

            3.3 Dynamique

                3.3.1 Vitesse Piston

                3.3.2 Vitesse Angulaire Bielle

                3.3.3 Accélération Piston

                3.3.4 Accélération Angulaire Bielle

            3.4 Perte par frottement

            3.4.1 Couple moteur monocylindrique

                3.4.2 Répartition des pertes par frottement

            3.5 Thermodynamique cylindre

            3.5.1 Bilan thermique

                3.5.2 Masse cylindre

                3.5.3 Température cylindre

                3.5.4 Pression cylindre

                3.5.5 Boucle de pompage

                3.5.6 Coefficient de convection

                3.5.7 Perte thermique aux parois

            3.6 Thermodynamique soupapes

            3.6.1 Coefficient de décharge

                3.6.2 Section efficace

                3.6.3 Pression & température amont

                3.6.4 Vitesse isentropique

                3.6.5 Nombre de Mach

                3.6.6 Débit massique & volumique

            3.7 Thermodynamique plenum

            3.7.1 Débit Massique Restricteur / Soupape

                3.7.2 Pression Plenum

                3.7.3 Température Plenum

                3.7.4 Grandeurs thermodynamiques moyennes

            3.8 Thermodynamique manifold

            3.8.1 Débit Massique Restricteur / Soupape

                3.8.2 Pression Manifold

                3.8.3 Température Manifold

                3.8.4 Grandeurs thermodynamiques moyennes

            3.9 Thermodynamique turbomachine

            3.9.1 Champ compresseur : Rapport de Compression

                3.9.2 Champ compresseur : Rendement isentropique

                3.9.3 Champ turbine : Rapport de détente

                3.9.4 Champ turbine : Rendement isentropique

                3.9.5 Paramètres de fonctionnement de la turbomachine

            3.10 Paramètres de combustion

            3.10.1 Vitesse de combustion

                3.10.2 Fraction brûlée

                3.10.3 Constante thermodynamique (R)

                3.10.4 Coefficient isentropique (g)

            3.11 Composition des gaz

            3.11.1 Concentration de chaque espèce

                3.11.2 Concentration Admission & Echappement

 

4 Exemple de modélisation :

 

            4.1 Exemple d’un moteur atmosphérique

            4.2 Exemple d’un moteur suralimenté

           

5 Calcul en BATCH :

 

            5.1 Mise en donnée

                            5.1.1 Présentation du fichier BATCH

                               5.1.2 Chargement des variables dans le BATCH

                               5.1.3 Exemple d’une courbe de pleine charge

                               5.1.4 Choix du Rack d’une turbomachine

            5.2 Lancement des calculs

                               5.2.1 Paramétrage du solveur dans le BATCH

                               5.2.2 Lancement du calcul en BATCH avec ETorque

                               5.2.3 Lancement du calcul en BATCH pour un Turbo-Matching

            5.3 Exploitation des résultats

 

6 Analyse de la pression cylindre :

 

            6.1 Mesures physiques

                               6.1.1 Mesures nécessaires à l’analyse de la pression cylindre

                               6.1.2 Préparation des données avant calcul

                               6.1.3 Utilisation dans ETorque

                6.2 Calcul de la loi de dégagement d’énergie

                               6.2.1 Paramétrage du solveur

                               6.2.2 Calcul avec la pression cylindre uniquement

                               6.2.3 Calcul avec les pressions admission, cylindre & échappement

                               6.2.4 Exemple d’analyse de pressions cylindre

 

 


 

Mise en donnée

 

            La mise en donnée s’effectue par l’intermédiaire de l’onglet « Modélisation 1D ». Faite glisser la souris sur la section concernée. Double cliquez pour ouvrir.

 

 

·        Topologie - Paramètres de combustion & Transfert thermique : Dans cette section l’utilisateur renseignera les données géométriques du moteur (système bielle manivelle, vilebrequin), la disposition des cylindres (nombre et ordre d’allumage), les températures de parois, les modèles de transfert thermique et de combustion.

 

·        Diagrammes - Levée soupapes - Perméabilité culasse: Ici sont entrées les données concernant les lois de levée, les diagrammes de distribution et les perméabilités culasse.

 

·        Topologie du conduit d'admission : La géométrie du conduit d’admission (Tube entre le plenum et la soupape) est définie dans cette rubrique.

·        Topologie du conduit d'échappement : La géométrie du conduit d’échappement est définie dans cette section.

 

·        Caractéristique du Plenum : Le volume du collecteur d’admission (ou de la boîte à air) et les caractéristiques du restricteur (ou autres restrictions : boîtier papillon + coudes + filtre + …) sont définis dans cette boîte de dialogue.

 

·        Caractéristique du Manifold : Le volume du collecteur d’échappement et de ces autres  caractéristiques (perte de charge, échange convectif externe…) sont définis dans cette boîte de dialogue.

 

·        Caractéristique de la turbomachine : Dans cette section, les caractéristiques du compresseur, de l’échangeur, de la turbine et du contrôle de la turbine sont définis.

 

·        Caractéristiques Physico-chimique du carburant : Cette section permet de caractériser le carburant utilisé.

 

·        Conditions de Pression & Température externe : Définit la pression et la température ambiante à l’admission (en statique et en dynamique) et à l’échappement.

 

1.1 Topologie-Paramètres de combustion & transfert thermique :

 

 

 

  1. Alésage : Diamètre nominal des cylindres du moteur.
  2. Course : Course nominale du moteur.
  3. Longueur L : Longueur de la bielle (entraxe tête / pied de bielle).
  4. Lob : Distance entre le centre du maneton et la position du centre de gravité de la bielle sur le segment AB (Prendre un tiers de la longueur L si la valeur est inconnue)
  5. Taux Comp : Rapport de compression défini tel que :

 

            Avec,

V = course.p.(½. Alésage)²

u = Volume mort entre la culasse et le piston au PMH.

 

  1. Régime : Régime de rotation en tr/min.
  2. M piston : Masse du piston avec son axe et ses segments.
  3. M bielle : Masse de la bielle avec son roulement ou son coussinet.
  4. Ib bielle : Moment d’inertie de la bielle suivant l’axe Z par rapport à son centre de gravité
  5. Diamètre tourillon : Diamètre des tourillons (vilebrequin). Ces données sont exploitées pour le calcul des pertes par frottement.
  6. Largeur Tourillon : Largeur de contact entre le vilebrequin et le coussinet.
  7. Nombre de Tourillon : Nombre de tourillon entre le vilebrequin et le bloc moteur.
  8. Diamètre maneton : Diamètre des manetons du vilebrequin.
  9. Largeur Maneton : Largeur utile du coussinet de maneton
  10. Diamètre Palier AAC : Diamètre des paliers d’arbre à cames.
  11. Largeur Palier AAC : Largeur utile du palier d’AAC (contact culasse / AAC).
  12. Nombre Palier AAC : Nombre de palier entre l’AAC et la culasse (par AAC).
  13. Nombre AAC : Nombre d’AAC total (moteur entier).
  14. Contact Roulant / Glissant: Description du contact de la distribution (Contact came/ poussoir plan => Glissant ; Contact came / galet basculeur => Roulant).
  15. Kaux : Coefficient empirique caractérisant les accessoires (valeur comprise entre 1 & 4).

 

 

F Nota : Le calcul des pertes par frottement est réalisé à partir du modèle de friction de Patton & Heywood qui utilise l’ensemble des données géométriques renseignées (ft, fm, etc…). Néanmoins, il est possible d’imposer la valeur de la PMF: Pour cela, donnez pour un des paramètres géométriques la valeur 0, ce qui fait apparaître la fenêtre suivante :

 

 

Si vous confirmez, ETorque mettra l’ensemble des valeurs à 0 et il ne vous restera plus qu’a renseigner la valeur de la PMF:

 

 

 

            ETorque peut potentiellement calculer un moteur 12 cylindres composé de deux bancs de 6 cylindres en vis-à-vis (somme de n monocylindres identiques).

 

  1. Disposition Cyl : Cocher la case pour activer un cylindre. Les cylindres en vis-à-vis partagent le même maneton (le décalage angulaire des manetons reste néanmoins possible). Il n’y aura donc pas de tourillon entre les cylindres #1 & #7, #2 & #8, etc… 
  2. Ordre d’allumage : Entrez les angles d’allumage en degré vilebrequin. Par convention, indiquez 0 pour l’angle d’allumage du cylindre #1 et indexez les valeurs d’angle des autres cylindres par rapport à celui-ci.

 

 

 

1.      Tparoi Cylindre : Température moyenne de la paroi du cylindre.

2.      Tparoi Piston : Température moyenne du toit de piston.

3.      Tparoi Culasse : Température moyenne de la paroi de la chambre de combustion.

4.      K surface Piston : Ratio entre la surface mouillée et la surface projetée au niveau du toit de piston.

5.      K surface Culasse : Ratio entre la surface mouillée et la surface projetée au niveau de la chambre de combustion.

6.      Choix du modèle de transfert thermique : 3 modèles sont disponible : Eichelberg, Hohenberg & Woschni (le plus utilisé). Ces modèles peuvent être paramétrés à partir de coefficients empiriques.

 

Exemple de paramètres de « Woschni »

 

 

 

  1. Choix du modèle de combustion : L’utilisateur peut choisir entre six différents modèles : Wiebe Essence, Wiebe Diesel, Import Essence, Import Diesel, Analyse Pcyl Essence & Analyse Pcyl Diesel. Dans le cas d’une analyse, la pression cylindre sera renseignée par l’utilisateur et imposée lors du calcul : en conséquence, c’est la loi de dégagement d’énergie qui sera calculée.
  2. Rend Comb : Rendement de combustion estimé, de l’ordre de 95 à 100% (Uniquement valable lorsque pour les modèles Wiebe et les imports).

 

Pour importer une loi de combustion, suivez la procédure suivante :

    • Ouvrez le fichier « 2_ET_Fichier_Model_Burn.xls » et enregistrez-le sous un autre nom.
    • Complétez le par la loi de fraction brûlée (Xb) de votre choix en prenant garde à respecter l’ordre du cycle thermodynamique (Admission de 0 à 180°, compression de 181 à 360°, etc…720 points au format nombre).
    • Sélectionnez « Import Essence/Diesel » dans la fenêtre « choix du modèle de combustion » et cliquez sur le bouton à droite
    • Sélectionnez le fichier voulu. (Le fichier est importé et sera lié à votre fichier projet).

 

De même, pour importer une mesure de pression cylindre :

    • Ouvrez le fichier « 5_ET_Fiche_Pression_Model.xls » et enregistrez-le sous un autre nom et complétez la pression cylindre en prenant garde à respecter l’ordre (Admission de 0 à 180°, compression de 181 à 360°, etc…).
    • Sélectionnez « Analyse Pcyl Essence/Diesel », puis le fichier voulu dans le champ «  Pression Cylindre (mesure) »

 

 

Paramètres Wiebe Essence :

  1. qCA : Angle de calage de la combustion (après le PMH compression) pour lequel la fraction brulée atteint la valeur de %q.
  2. DTw : Durée de combustion entre qStart et qEnd.
  3. %q : Pourcentage de la fraction brulée marquant le calage de la combustion @ qCA dans le cycle moteur.
  4. %qStart : Pourcentage de la fraction brulée marquant le début de la combustion.
  5. %qEnd : Pourcentage de la fraction brulée marquant la fin de la combustion.
  6. Wiebe cst E : Constante du modèle de Wiebe Essence.

 

Paramètres Wiebe Diesel :

  1. qo : Angle de calage du début de la combustion (Après le PMH Admission)
  2. q1: Angle vilebrequin par rapport à qo  de la fraction brûlée maximale pendant la phase de combustion rapide.
  3. Dqd : Durée totale de la combustion.
  4. dX1/dqmax : Valeur maximale de la fraction brûlée de pré-mélange (légèrement inférieure à la dX1/dqtotale = dX1/dqpré-mélange + dX1/dqdiffusion).
  5. Wiebe cst D : Constante du modèle de Wiebe Diesel.

 

F Nota : Dans le cas du modèle Wiebe Diesel, il est possible de rendre le calcul des paramètres du modèle automatique en cochant la case « Auto ». Dans ce cas, ETorque considère une loi empirique pour chaque paramètre en fonction du régime moteur.

 

 

1.2 Diagrammes -  Levée soupapes – Perméabilité culasse :

 

 

 

  1. Lmax Adm & Lmax Ech : Angle compris entre le PMH et la levée maxi de soupape (dans le sens horaire pour l’admission et  trigonométrique pour l’échappement).

 

 

  1. Diamètre Soupape Adm & Ech : Diamètre maxi de la tête de soupape utilisé pour le calcul de la section théorique.
  2. Diamètre col Adm & Ech : Diamètre équivalant à la section mini du conduit d’admission ou d’échappement, utilisé pour la détermination de la section maximale théorique.

 

  1. L détection : Les valeurs angulaires des AOA, RFA, AOE & RFE sont généralement données pour une levée sans jeux correspondant à la fin de la rampe de silence. Cette valeur est indispensable pour un calcul cohérant du diagramme de distribution. (généralement entre 0,5 et 1mm).

 

  1. Loi de levée soupape : Sélectionnez la loi de levée à utiliser en sélectionnant un fichier EValve ou une loi personnalisée. Pour cela suivez la procédure suivante :

 

·       Utiliser le fichier « 1_ET_Fichier_Model_Lift.xls » et enregistrer le sous un autre nom.

·       Complétez le fichier avec la loi de levée de votre choix en prenant garde à respecter l’incrément (tous les degrés AAC) et en positionnant la position de la levée maxi à 180° AAC. Le fichier doit comporter 360 points au format nombre.

·       Cliquez sur le bouton « … ».

·       Sélectionnez le fichier voulu.

·       Le fichier est importé et sera lié à votre fichier projet.

 

  1. Nb Soupape / cyl : Indiquez le nombre de soupape d’admission et d’échappement par cylindre.

 

  1. K lift Adm & Ech : Coefficient multiplicateur à appliquer à la loi de levée soupape. Cela permet de visualiser rapidement l’influence de la modification de la levée soupape sur les performances du moteur.

 

  1. Coefficient de décharge : Pour chaque sens d’écoulement (co-courant & contre courant) l’utilisateur peut choisir deux modes de détermination des coefficients de perméabilité (décharge) :
    • Mode Automatique : ETorque détermine les coefficients CD à partir du rapport L/D et du rapport Section soupape/ Alésage.
    • Mode Manuel : L’utilisateur est invité à renseigner les valeurs des coefficients de décharge en fonction du rapport L/D (Levée / Diamètre soupape). L’utilisateur devra alors renseigner la section de référence associée aux valeurs de ces coefficients de décharge : F(D) = Fonction de Dref uniquement ; F(D ,Lift) = Fonction de Dref et de la levée &  F(D ,Lift, col) = Fonction de Dref, de la levée et limité par la valeur de la section du col. La valeur maximale du rapport L/D devra être cohérente avec les lois de levée du projet.

 

  1. Coefficient de décharge automatique : Dans le mode Automatique, l’utilisateur a le choix entre trois qualités de perméabilité : Bon, Moyen & Mauvais

 

            Lorsque l’utilisateur dispose d’un banc de mesure de perméabilité culasse ou d’un résultat CFD, il est possible de calculer les coefficients de débit correspondant. Il sera par la suite possible de les injecter, en mode manuel, dans les tables CD = f(L/D).

            Pour cela, cliquez sur :  La fenêtre suivante apparait :

 

 

            Pour créer une nouvelle mesure, cliquez sur le bouton Ajouter et donnez lui un nom. Sélectionnez-la afin de l’activer puis remplissez la table afin de renseigner la levée, la température de l’essai et la pression mesurée au débit massique généré par la soufflante.

 

  1. Section ref : Section de référence utilisée pour le calcul du coefficient de décharge :

·       Sélectionnez « Section soupape » pour considérer la section de référence comme étant définie par la section équivalente au diamètre de la tête de soupape (Dref).

·       Sélectionnez « Section = f(levée) » afin de tenir compte de la levée soupape et de Dref.

  1. Sens écoulement : Sens de l’écoulement de la série de mesure :

·       Sélectionnez « Admission (Ptotal) » lorsque la mesure est faite en aspiration (débit entrant de la culasse vers le cylindre).

·       Sélectionnez « Echappement (Pstatique)» lorsque la mesure est faite en soufflant (débit sortant de la culasse vers le milieu ambiant).

  1. Mesure Pression : Permet de sélectionner le type de valeur de pression qui va être renseigné dans la colonne « P(mbar ) ».

·       Valeur de pression : Pression absolue dans le cylindre

·       Pstatique OUT / Ptotal IN : Rapport de la pression statique dans le cylindre sur la pression total de l’air ambiant.

·       Ptotal IN – Pstatique OUT : Différence de pression entre la pression cylindre et la pression ambiante.

  1. Pabs : Pression atmosphérique du milieu ambiant (Ptotal IN)
  2. Dref : Diamètre de référence utilisé pour le calcul des coefficients de débit (généralement équivalent au diamètre de la tête de soupape)
  3. Nb soupape : Nombre de soupape de la série de mesure.

 

 

F Nota 1: Le débit massique pourra être renseigné en kg/s (unité par défaut) ou en kg/h. Dans ce cas, le débit sera remmené automatiquement en kg/s.

 

F Nota 2: Dans le mode manuel, l’utilisateur peut faire remplir automatiquement chaque table CD = f(L/D) en cliquant sur le bouton d’entête de table . L’utilisateur sera amené à choisir parmi les mesures de perméabilité disponible (se reporter à la section Mesure soufflerie).

 

 

 

 

1.3 Topologie des conduits d’admission & d’échappement :

 


 

 


 


ETorque modélise les conduits d’admission et d’échappement afin de tenir compte des effets acoustiques et de leur impact sur le remplissage moteur. Pour cela, ETorque résout les équations fondamentales dans un tube, à savoir :

 

·       L’équation de continuité (conservation du débit massique)

·       L’équation de la quantité de mouvement (Somme des forces de pression & de la quantité de mouvement)

·       L’équation d’énergie (1er principe de la thermodynamique)

·       L’équation d’état (relation entre la pression, la température et la masse volumique)

 

Ces équations, sous forme conservative, se symbolise par l’équation suivante :

 

 

Dans lequel W représente le vecteur principal W = [r, ru, E], et F(W) le vecteur flux fonction de W. Cette équation est une équation aux dérivées partielles hyperboliques, qui ne peut être résolue que par une méthode de calcul numérique.

 

Il existe une multitude de schéma numérique aux différences finies : Lax-Friedrich, Mac-Cormack, Godunov, Roe, Lax-Wendroff… Tous ces schémas ont des performances et des stabilités variables. Pour notre application, ETorque utilise le schéma de Lax-Wendroff (Richtmyer), qui présente un compromis précision / stabilité satisfaisant.

 

1.      Longueur : Longueur de la fibre neutre entre le col de la soupape et l’embouchure de la tubulure d’admission dans le plenum. 

2.      Diamètre : Diamètre caractéristique de la tubulure (ou diamètre hydraulique).

3.      Nombre CFL : Nombre de Courant Freidrichs Lewy. Ce critère impose la valeur Dt  nécessaire afin de garantir que la distance parcourue dans la tubulure par une onde plane, pour un pas de temps, ne puisse pas être supérieure à la taille d’une maille, tel que :

 

Le nombre CFL est par défaut égale à 0,8 et doit toujours être inférieur à 1. Le nombre CFL renseigné représente la valeur maximale autorisée lors du calcul. Le Solveur peut réduire cette valeur afin d’améliorer la stabilité du calcul.

 

4.      L Maille mini : Longueur d’une maille (ou longueur de discrétisation). L’utilisateur remarquera qu’un faible nombre de maille diminue le temps de calcul, mais rend le calcul imprécis (fréquence propre du tube erronée). A l’inverse, un nombre important de maille augmentera le temps de calcul sans apporter une précision très accrue. Un compromis doit donc être trouvé (cliquez sur « ? » afin d’avoir une indication sur la longueur recommandée).

5.      Pression et température initiale : Pression et température utilisées pour le premier calcul de remplissage. Ce sont également les valeurs utilisées lorsque les calculs acoustiques (et plenum pour l’admission) sont désactivés. Les températures de paroi seront égales aux températures initiales. A l’échappement, la pression initiale devra tenir compte de la contre pression à l’échappement (Pinitiale = Patmo + Pcontre pression).

6.      Imposer la pression admission/ échappement : Cette fonction est utilisé lorsque l’on souhaite analyser la loi de dégagement d’énergie issue de la combustion et que l’on dispose d’une mesure de la pression instantanée à l’admission et / ou à l’échappement. Dans ce cas, la mesure de pression en barA doit être renseignée en utilisant le fichier « 5_ET_Fichier_Model_Pression.xls ».

 

1.4 Caractéristiques du Plenum et du Manifold :

 

            ETorque modélise le plenum et le manifold comme un volume « mort », c'est-à-dire que ce dernier est acoustiquement neutre. La méthode de résolution est similaire au calcul de la pression cylindre. Il tient donc compte des débits entrant et sortant du volume pour le calcul de la pression (avec ou sans échange avec le milieu ambiant).

 

 

1.      D restricteur : Diamètre de référence du restricteur ou de la ligne d’air admission / d’échappement (section mini).

2.      CD restricteur : Coefficient de décharge du restricteur. Il peut être calculé de la même manière que les coefficients de décharge d’une culasse. Il suffit pour cela de prendre la section de référence égale au diamètre du restricteur et de « shunter » la levée en indiquant une valeur arbitraire. Ainsi, un système complexe induisant une perte de charge pourra être assimilé à un simple « col ». L’hypothèse de neutralité acoustique du dit système devra alors être prise en compte.

3.      Volume : C’est le volume du collecteur d’admission, de la boîte à air ou du collecteur d’échappement (Conduits inclus).

4.      Couplage : Les volumes (plenum ou manifold) ne sont pas systématiquement connectés à tous les cylindres. Le couplage vous permet de sélectionner le ou les cylindres en lien avec le volume. Dans le cas contraire, cliquez sur « Tous ».

 

F Important : Le cylindre #1 étant le cylindre de référence, il doit toujours être connecté au volume.

 

 

5.      Hconv : Coefficient de convection entre la paroi et le gaz contenu dans le volume. Ce coefficient dépend de la nature du matériau composant la paroi du volume et du régime d’écoulement. Usuellement, ce coefficient sera comprit entre 5 et 100 W/m².K pour l’admission, et entre 100 à 300 W/m².K pour l’échappement.

6.      Surface : Surface mouillée de l’intérieure du plenum ou du manifold.

7.      Tparoi : Température de la paroi du volume, dépendante de la température du milieu extérieur, de l’épaisseur de la paroi et du régime d’écoulement de l’air ou de l’eau autour du volume. Habituellement, il est possible de considérer cette température comme étant égale à la température ambiante (sous-capot) à l’admission, et la température moyenne des gaz brulés et de la culasse pour l’échappement.

 

 

1.5 Turbomachine – Waste Gate - Echangeur :

 

            ETorque permet de simuler le fonctionnement d’une turbomachine seule (Turbo-matching) ou couplée avec le  modèle moteur. En plus des caractéristiques du compresseur et de la turbine, il est souvent indispensable de prendre en compte l’impact de la soupape de décharge (Taux de « waste gate ») et de l’échangeur de chaleur.

 


 


1.      Fichier Champs : Sélectionnez le champ compresseur ou le champ turbine de la turbomachine. Pour cela suivez la procédure suivante :

 

·       Utiliser le fichier « 3_ET_Fichier_Model_Comp.xls » ou « 4_ET_Fichier_Model_Turb.xls » et enregistrer le sous un autre nom.

·       Complétez le fichier avec le champ. Le nombre de valeurs peut varier pour chaque iso-régime (table de 50 points maxi, possibilité de 10 iso-régimes. Sans valeur, laisser les cellules vide). Les régimes et les débits doivent être les valeurs réduites et renseignées par ordre croissant en régime et en débit.

·       Cliquez sur le bouton « … ».

·       Sélectionnez le fichier voulu.

·       Le fichier est importé et sera lié à votre fichier projet.

 

 

 

EXTRAPOLATION

Compresseur 

(dans la zone de pompage)

Rpc : Linéaire en fonction des deux premiers points de l’iso-régime.

Eff : Constante et identique à la première valeur de l’iso-régime

Compresseur

(dans la zone d’étouffement) 

Rpc : Linéaire en fonction des deux derniers points de l’iso-régime.

Eff : Constante et identique à la dernière valeur de l’iso-régime

Turbine

(vers les débits & Rpt décroissant) 

Rpt : Polynomial passant par Rpt = 1 pour Qm = 0.

Eff : Constante et identique à la première valeur de l’iso-régime

Turbine

(vers les débits et Rp croissant) 

Rpt : Polynomial, suivant valeurs renseignées.

Eff : Constante et identique à la dernière valeur de l’iso-régime

 

F Nota : ETorque utilise les champs renseignés afin de déterminer, pour un débit massique et une température échappement donné, les points de fonctionnement du compresseur et de la turbine (point d’équilibre des puissances). ETorque interpole les champs et les extrapole en dehors des valeurs renseignées (iso-régime). L’utilisateur doit néanmoins veiller à fournir des champs compatibles avec les points de fonctionnement du moteur à simuler.

 

2.      Pression amont – aval : Sélectionner « Statique » ou « Total ». Cela correspond à la mesure du champ compresseur ou turbine. Généralement, le champ compresseur est mesuré de Total à Total, et la turbine de Total à Statique.

3.      Diamètres Amont – aval : Dans le cas ou la pression Total est sélectionnée, il est alors indispensable de renseigner le diamètre de la tubulure de la prise de pression afin de distinguer de la pression total la partie statique de la partie dynamique.

4.      Type N-Type Q : Type de réduction utilisé pour le régime (N) ou pour le débit (Q). Les différents coefficients de réduction pris en compte sont détaillés ci-dessous.

 

 

5.      Tref, Pref, Rref & gref : Valeurs de température, de pression, de la constante thermodynamique et du coefficient isentropique de référence utilisées pour la réduction du régime et/ou du débit massique.

 

 

6.      Inertie axe : Valeur d’inertie de l’ensemble roue de compresseur – axe – roue de turbine.

7.      h méca : Rendement mécanique de la turbomachine. Il est soit exprimé en pourcentage (100% étant le maximum) ou en puissance. Dans ce cas, une puissance mécanique positive signifie que la turbine fournie plus de puissance que le compresseur en consomme. Inversement, une puissance mécanique négative signifie que la turbine fournie moins de puissance que le compresseur (Assistance électrique de la turbomachine)

8.      Nb turbo : Nombre de turbomachine du moteur (en parallèle uniquement, les montages en série ne sont pas pris en compte).

 

 

1.      Mode : Sélectionnez le mode de calcul du taux de Wastegate, c'est-à-dire :

·       Mode « Imposé » : Le taux de Wastegate de la turbine est alors fixé par l’utilisateur.

·       Mode « Calculé » : Le taux de Wastegate est calculé à partir des caractéristiques géométriques et aérauliques de la soupape de décharge.

·       Mode « Pboost » : Le taux de Wastegate est calculé à partir de l’objectif de pression de suralimentation en Aval de l’échangeur de suralimentation.

 

2.      Taux WG imposé % / Pboost aval CAC: Taux de Wastegate imposé (c'est-à-dire le pourcentage du débit échappement qui ne passera pas dans la turbine) ou objectif de pression de suralimentation utilisé pour le mode « Pboost ».

3.      Diamètre WG : Diamètre de référence du dispositif (diamètre de tête de la soupape). Lorsque le diamètre est renseigné, la section équivalente est directement calculée.

4.      Section : Section de référence du dispositif. Lorsque la section est renseignée, le diamètre est directement calculé.

5.      CD WG : Coefficient de débit de la Wastegate. Ce dernier doit être en adéquation avec le diamètre ou la section de référence.

 

 

1.      Grille RT & dP = f(Qm) : Grille d’efficacité (%) et de perte de charge (statique à statique) du refroidisseur d’air de suralimentation en fonction du débit massique d’air en kg/s, tel que :

 

                        Et :

 

 

F Nota : Le débit massique pourra être renseigné en kg/s (unité par défaut) ou en kg/h. Dans ce cas, le débit sera remmené automatiquement en kg/s.

 

2.      T source froide : Température du fluide de refroidissement (air ambiant ou liquide de refroidissement).

3.      Qm air @Tinlet & @Pinlet : Température et pression de référence de l’air de suralimentation correspondant à la grille de performance renseignée.

 

 

1.6 Caractéristiques de l’air externe & physico-chimique du carburant :

 

1.      Pco : Pouvoir comburivore du carburant utilisé. 

2.      Richesse : Richesse du mélange carburant / comburant. La valeur A/F ratio est automatiquement calculée et mise à jour.

3.      A/F ratio : Valeur d’excès d’air (Air Fuel Ratio) du mélange carburant / comburant. La Richesse est automatiquement calculée et mise à jour.

4.      Pci : Pouvoir calorifique inférieur.

5.      Masse Vol : Masse volumique du carburant.

6.      Rapport H/C : Rapport entre le nombre de mole d’hydrogène et le nombre de mole de carbone (CHy, y = rapport H/C)

7.      Carburation : Spécifie le lieu d’introduction du carburant (Indirect = Injection dans le conduit d’admission ou par un carburateur en aval du compresseur ; Direct = Injection dans le cylindre en suivant l’évolution de la fraction brûlée).

 


 


 

8.      P atmosphérique : Pression atmosphérique absolue à l’admission.

9.      T atmosphérique : Température atmosphérique à l’admission.

10.  HR atmosphérique : Hygrométrie relative du milieu ambiant.

11.  Vitesse d’avancement : C’est la vitesse relative de l’air soufflant au niveau de l’entrée d’air du moteur (Restricteur, Compresseur,…). La valeur de pression atmosphérique absolue sera alors corrigée afin de tenir compte de la pression dynamique induite par la vitesse d’avancement du véhicule.

12.  Coef Pression Dyn: C’est le coefficient de pression dynamique (généralement Cp = 0,8 à 0,9). La pression dynamique sera calculée comme suit :

13.  P échappement : Pression absolue au niveau de l’échappement. La contre pression de la ligne d’échappement ou du système de post traitement devra être pris en compte.

 

 

 

Utilisation du Solveur

 

            Le calcul du modèle n’est pas directe, car la solution n’est pas purement analytique mais nécessite un certain nombre d’itérations, chacun des composants (tubulure, plenum, cylindre) ayant une interaction forte. La solution sera trouvée lorsqu’au bout d’un certain nombre d’itérations, les résultats ne varieront plus de manière significative (convergence de la solution).

 

2.1 Paramétrage du modèle et utilisation du solveur :

 

            Sélectionner l’onglet « Calcul-Solveur » :

 

 

Cliquez sur « Paramètres du Solveur » :

 

1.      Activer le calcul Plenum : Permet de prendre en compte l’élément Plenum lors du calcul du modèle. Lorsque cette option est désactivée, les conditions de bord de la tubulure d’admission seront égales aux conditions atmosphériques admission (statique ou dynamique) ou aux conditions aval du compresseur (si calcul de la turbomachine activé).

2.      Activer le calcul de la Tubulure Admission : Permet de prendre en compte les variations de pression dans la tubulure d’admission et les effets acoustique.

3.      Activer le calcul de la Tubulure Echappement : Permet de prendre en compte les variations de pression dans la tubulure d’échappement et les effets acoustique.

4.      Activer le calcul Manifold : Permet de prendre en compte l’élément Manifold lors du calcul du modèle. Lorsque cette option est désactivée, les conditions de bord de la tubulure d’échappement seront égales aux conditions atmosphériques échappement ou aux conditions amont turbine (si calcul de la turbomachine activé).

5.      Activer le calcul de la turbomachine : Permet le couplage du modèle Moteur – Turbocompresseur. Un Turbomatching est conseillé avant activation de cette option.

 

 

6.      Nombre d’itération maximum : C’est le nombre maximal d’itération autorisé avant arrêt du solveur. Le nombre maximum est de 15 itérations. 

7.      Valeur de seuil phase #1 : La première phase du solveur calcul la pression cylindre à partir des valeurs initiales renseignées dans les tubulures d’admission & d’échappement (voir section concernée). Par défaut, lorsque que la variation de la solution ne varie pas de plus de 15%, le solveur passe à l’étape suivante (phase #2).

8.      Valeur de seuil phase #2 : C’est le critère de convergence final du modèle lorsque tous les composants du moteur sont pris en compte par le solveur.

9.      Ecrire les grandeurs thermodynamique Maille à Maille : Cette option permet d’afficher les grandeurs thermodynamique dans chacune des mailles des tubulures. Cela ralentit un peu le calcul.

 

 

10.  Slope Limiteur Admission/ Echappement : Variation maximale de la masse volumique entre deux mailles successive de la tubulure d’admission ou d’échappement. Ce paramètre permet de supprimer les oscillations numériques néfastes. Réduisez la valeur afin de réduire les oscillations (Valeur par défaut : 2%).

11.  Angle de démarrage du calcul : La pression dans les tubulures oscille avec une fréquence qui dépend de sa géométrie. La fréquence d’oscillation peut être en décalage avec la fréquence moteur, ce qui engendre des variations cycle à cycle des pressions, et donc une discontinuité. L’angle de démarrage du calcul permet de déplacer cette discontinuité à un angle où son impact n’a pas d’influence sur le calcul du remplissage, par exemple au PMH combustion (360deg) plutôt qu’au PMH de balayage (0deg). 

12.  Calcul acoustique enchaînés cycle à cycle : Par défaut le calcul des grandeurs thermodynamiques dans les tubulures est initialisé avec les conditions limites obtenues lors de la premières itération du solveur. Afin de rendre le calcul plus précis, il est possible de mettre à jour ces conditions d’initialisation après chaque itération du solveur (attention, le calcul peut s’avérer moins stable et plus lent).

 

 

13.  dN Convergence Turbo (tr/min) : C’est la variation de régime maximale de la turbomachine sur un tour vilebrequin. Il est raisonnable de fixer ce seuil entre 1 à 5% de régime de rotation nominal du turbo.

14.  K inertie Turbomachine (*) : Coefficient multiplicateur de l’inertie de la turbomachine. Egale à 1, il est possible de l’augmenter ou de le diminuer afin de faciliter la convergence de la condition d’équilibre de la turbomachine.

 

 

15.  Xb de démarrage combustion (%) : Valeur de la Fraction brûlé permettant de déterminer l’angle de démarrage de la combustion.

16.  Xb de fin de combustion (%) : Pourcentage de la fraction brûlée maximale permettant de déterminer l’angle de fin de combustion. Par exemple, si ETorque trouve une fraction brûlée de 98% lors de l’analyse d’une pression cylindre, l’angle de détection de la fin de la combustion sera équivalent à une Xb de 98% multiplié par 99.25%.

17.  Xb calcul de la constante Wiebe (%) : Valeur de la fraction brûlée utilisée pour calculer la constante de Wiebe. La constante ainsi obtenue permettra donc de parfaitement corréler la mesure et le modèle en ce point précis de la loi de dégagement d’énergie.

18.  Auto Tune : Qmair objectif (kg/h) : Cette fonction permet de décaler la mesure de la pression admission afin de faire corréler le débit massique d’air du modèle avec la valeur mesurée au banc moteur (Qmair Objectif).

 

            Lorsque le moteur est parfaitement (et correctement) modélisé, lancez le calcul en cliquant sur « Run Solveur !».

 

 

            Le calcul se lance et le déroulement du calcul est affiché. Les caractéristiques principales sont donc affichées. Le temps de calcul est en général compris entre 1 et 2 min.

 

 

 

2.2 Mapping et Calcul incrémental :

 

            ETorque est capable de « mapper » une grandeur en fonction de plusieurs variables (cliquez sur le bouton « MAP »). Cela permet notamment de réaliser des études de sensibilité ouvrant la porte à une démarche d’optimisation.

 

F Nota 1: Le temps de calcul peut être assez long. Pour cette raison, il est important de « faire tourner » le modèle en amont afin de supprimer les éventuelles erreurs. Le nombre de calcul pourra également être limité par l’utilisateur.

 

F Nota 2: Il est possible d’écrire un fichier de <Tous> les résultats pour chaque configuration de calcul. Dans ce cas, il est indispensable d’indiquer le répertoire d’écriture des fichiers.

 

            L’exemple ci-dessous montre la manière d’étudier l’impact de la longueur de la tubulure d’admission sur la pression en amont de la soupape. Cliquez sur :

 

 

            Sélectionnez le résultat à « mapper » puis la première et la seconde variable à faire varier.  Renseignez également les valeurs minimales et maximales de variation des variables, ainsi que les pas de calcul. Cliquez sur « Lancer » pour démarrer le calcul.

 

 

            Après quelques minutes, un fichier au format .xls est généré. Il contient les résultats « Mappés » en fonction du régime et de la longueur de la tubulure d’admission. Pour cela, sélectionnez « Adm – Pression Amont Admission » dans la colonne de gauche.

 

Exemple d’étude de sensibilité Padm = f(Ltubulure)

 

 


 

Exploitation des résultats

 

            Lorsque le calcul est terminé, il est possible d’exploiter les résultats en sélectionnant l’onglet « Résultats ». Sélectionnez la catégorie (colonne de gauche), puis la sous catégories (colonne de droite). Double cliquez afin de faire apparaître le graphique. Il est également possible d’exporter l’ensemble des résultats dans un fichier au format .xls, pour cela double cliquez sur <EXPORTER RLT>.

 

 

3.1 Constantes :

 

 

            DIMENTIONNEL :

 

1.      Cylindrée totale : Volume nominal de l’ensemble des cylindres.

2.      Cylindrée unitaire : Volume nominal d’un cylindre.

3.      Rapport Lambda : Rapport de la longueur de bielle sur la demi-course. Valeur généralement comprise entre 3 et 4 (voir EEngine)

4.      Demi-course : distance entre l’axe des tourillons et l’axe des manetons.

5.      Vitesse moyenne piston : Vitesse moyenne du piston utilisée comme critère au-delà duquel le rendement de combustion va chuter de manière dramatique (fonction de la vitesse du front de flamme). Les valeurs usuelles sont : 25 m/s pour un moteur à allumage commandé et 15 m/s pour un moteur à auto-allumage (diesel). Ceci permet de connaître le régime maximal que peut atteindre un moteur.

6.      Régime : Vitesse de rotation moteur en rad/s.

 

 

PARAMETRES DE FONCTIONNEMENT :

 

1.      Puissance : Puissance effective calculée à partir du diagramme de pression cylindre et de la PMF (en kW & cv).

2.      Couple : Couple  effectif (en N.m).

3.      CSE : Consommation Spécifique Effective, c'est-à-dire la masse de carburant consommée (gr) permettant de produire 1 kW pendant une heure.

4.      Rendement : C’est le rendement global du moteur.

5.      PME : Pression Moyenne Effective calculée à partir de la valeur de PMF estimée par ETorque et du diagramme Pression / Volume.

6.      PMI HP / PMI BP : Pression Moyenne Indiquée calculée à partir du diagramme Pression - Volume. Nous distinguons la partie Haute pression (phase de compression & Combustion - détente) et la partie Basse pression (ou perte par pompage qui indique le travail de transvasement induit par les phases d’admission et d’échappement)

7.      PMF : Pression Moyenne de Frottement calculée à partir du modèle de Patton & Heywood, estimant les pertes mécaniques dans chaque élément mobile du moteur.

8.      Qmair tot : Débit massique total d’air admit par le moteur.

9.      Qmhc tot : Débit massique total de carburant consommé par le moteur

10.  Richesse : Rappel de la richesse renseignée par l’utilisateur

11.  Ra : Remplissage en air du moteur. C’est le rapport entre la masse réellement admise par le moteur en un cycle (masse enfermée dans le cylindre avant la combustion) sur la masse théoriquement admissible par le moteur dans les conditions de pression et de température initiales de la tubulure d’admission.

12.  Ra CSTP : Remplissage en air du moteur par rapport aux Conditions Standard de Température et de Pression (CSTP = 1013,15 mbar - 25°C).

13.  Trapping Eff : Trapping efficiency, c’est le rapport entre la masse d’air réellement enfermée dans le cylindre sur la masse d’air maximale admise sur un cycle. Une faible valeur de Trapping Eff est le signe d’un refoulement des gaz dans le conduit en fin d’admission (Back-Flow).

14.  Pcyl max : Pression maximale dans le cylindre sur un cycle.

 

 

3.2 Cinématique :

 

3.2.1 Course Piston

3.2.2 Angle Bielle

Voir EEngine

 

3.2.3 Loi de levée soupape :

 

 

            Ce sont les lois de levée d’admission & d’échappement importées. Les lois sont donc positionnées dans le cycle en fonction de l’angle de levée maximale renseigné dans le cycle par rapport au point mort haut de transvasement. Les diagrammes d’ouverture & de fermeture soupape sont donc résumés ci-dessous. (Angle correspondant à la levée de détection renseignée)

 

 

3.3 Dynamique :

 

3.3.1 Vitesse Piston


3.3.2 Vitesse Angulaire Bielle

3.3.3 Accélération Piston

3.3.4 Accélération Angulaire Bielle

 

Voir EEngine

3.4 Perte par frottement :

 

 

            3.4.1 Couple moteur monocylindrique :

 

            C’est le couple moteur monocylindrique d’un moteur à n cylindre(s) : Voir EEngine


 

            3.4.2 Répartition des pertes par frottement :

 

 


 

 

            Cela représente la répartition des pertes par frottement (%) estimée par ETorque. Chaque élément mobile du moteur est ainsi modélisé. La répartition est exprimée en pourcentage de la PMF.

 

 

3.5 Thermodynamique cylindre :

 

            3.5.1 Bilan thermique :

 

            Cet histogramme détail la répartition des puissances perdues par les frottements, dans l’échappement, lors des transvasements et aux parois. Le pourcentage représente de ratio Puissance / Puissance introduite.

 

 

1.      Puissance Introduite : Produit du débit de carburant total et de son pouvoir calorifique inférieur (PCI).

2.      Puissance Unburn : Puissance perdue par le carburant imbrûlé (richesse supérieure à la stœchiométrie & rendement de combustion inférieur à 100%).

3.      Puissance Paroi : Puissance thermique perdue aux parois (cylindre + culasse + piston). C’est la puissance qui sera transmise à l’eau du circuit de refroidissement et en partie à l’huile.

4.      Puissance Frottement : Puissance perdue dans les frottements mécaniques internes au moteur (équipage mobile, distribution, etc…)

5.      Puissance Echappement & Transvasement : Puissance thermique perdue dans la tubulure d’échappement + Puissance de transvasement des gaz (admission & échappement).

6.      Puissance Mécanique : Puissance effective sur le vilebrequin.

 

            En première approximation, la puissance thermique à évacuer sera égale à Pparoi + Pfrot + environ 1/3 Péch.

 

            3.5.2 Masse cylindre :

 

            C’est la masse de gaz présente dans le cylindre en fonction de l’angle vilebrequin. Lors de la phase d’admission, la masse augmente jusqu'à atteindre un maximum. A la fin du temps d’admission, la masse peut diminuer légèrement : c’est le « back flow ». L’effet sur le remplissage est alors défavorable.

 

            Lors des phases de compression / combustion, et avec une injection de carburant indirecte, la masse n’évolue plus et ce maintient jusqu'à l’ouverture de la soupape d’échappement. Avec une injection directe, nous constatons une augmentation de la masse correspondant à la masse de carburant introduite.

 

            Ensuite, la masse cylindre se met alors à décroitre jusqu'à atteindre un minimum correspondant à la masse du volume mort de la chambre de combustion. 

 


Injection  indirecte               Injection directe

 

 

                        3.5.3 Température cylindre :

 

            C’est la température moyenne dans le cylindre calculée à partir de la masse, de la composition des gaz et de la pression.

 

 

                        3.5.4 Pression cylindre :

 

            Il est possible de représenter la pression de deux manières : soit en fonction de l’angle vilebrequin, soit en fonction de la course (Diagramme de Clapeyron). C’est à partir de cette pression que le couple moteur sera calculé.

 

            Il est important de remarquer que la pression cylindre est calculée à partir d’un modèle idéal, c'est-à-dire sans aucune fuite au niveau de la segmentation, sans anomalie de combustion (cliquetis) et avec une régularité cyclique idéale. Néanmoins, les corrélations avec les mesures expérimentales montrent que ce modèle est assez proche de la réalité.

 


 


 

                        3.5.5 Boucle de pompage :

 

            L’affichage de la boucle de pompage permet d’étudier la pression au niveau de la boucle basse pression du diagramme de Clapeyron (PMIBP). Il est également possible de visualiser les pressions dans le cylindre et aux bornes de celui-ci, c'est-à-dire en amont de la soupape d’admission et en aval de la soupape d’échappement.

 



 

                        3.5.6 Coefficient de convection :

 

            C’est le coefficient d’échange (hc) entre les gaz du cylindre et les parois (culasse, cylindre & piston). Ce coefficient est calculé à partir du modèle défini dans la section « Thermique cylindre ».

 

 

                        3.5.7 Perte thermique aux parois :

 

            C’est la puissance thermique aux parois en fonction de l’angle vilebrequin. Clairement, c’est lorsque la vitesse de combustion et la pression cylindre augmentent le plus que les pertes thermiques sont les plus importantes.

 

 

 

3.6 Thermodynamique soupapes

 

            3.6.1 Coefficient de décharge :


 

            Ces coefficients sont ceux renseignés par l’utilisateur dans la section « Perméabilité culasse ». Les points du graphique correspondent aux valeurs renseignées dans les tables CD=f(L/D) . Les courbes de régressions représentent quant à elles les courbes utilisées lors du calcul afin d’interpoler entre chaque points.

 

 

 

            3.6.2 Section efficace :

 

            C’est le produit de la section théorique de référence par le coefficient de débit. Cette section sera utilisée pour le calcul du débit aux soupapes. Evidement, plus la section efficace ce rapproche de la section de référence, plus la culasse sera perméable.

 

 

            Cette section peut être exprimée en fonction de la levée soupape (ci-dessus), ou en fonction de l’angle vilebrequin (ci-dessous).

 

 

 

 

            3.6.3 Pression & température amont :

 

             Le calcul de la pression en amont de la soupape d’admission est d’une importance capitale pour le calcul du débit entrant dans le cylindre, et donc sur la performance du moteur. C’est essentiellement ce calcul qui prend du temps. Dans l’exemple ci-dessous, nous pouvons observer :

 

A l’admission :

 

·       @ 703deg : La soupape d’admission s’ouvre. Les pressions dans la tubulure et dans le cylindre sont alors ce qu’elles sont…Si la pression dans la tubulure est supérieure à la pression cylindre, les gaz entre dans le cylindre (et vice et versa). A ce moment là, c’est le top départ pour une onde de pression qui part de la soupape vers le plenum (comme à un feu rouge, l’information « on peut démarrer » va en sens inverse de l’avancement véhicule).

·       @ 180deg : La soupape d’admission est encore ouverte mais a déjà commencée sa descente. Le piston va bientôt remonter et donc limité le débit…les conditions pour continuer à remplir le cylindre seraient alors défavorable si il n’y avait le « retour » d’une onde de pression en amont de la soupape (elle en est peut être même à sont nième aller-retour !).

·       @ 238deg : La soupape se ferme alors que la pression cylindre devient supérieure à la pression tubulure : un petit back-flow est alors généré. Lorsque la soupape est fermée, nous pouvons visualiser plusieurs allers-retours engendrant plusieurs fluctuations de pression (le nombre de fluctuation dépend de la longueur de la tubulure d’admission).

 

            Alors c’est un peu simple expliqué comme cela, mais c’est assez représentatif de ce qui doit se passer pour assurer un bon remplissage moteur. A contrario, certains événements peuvent défavoriser le remplissage, par exemple : si l’onde de retour arrive trop tôt ou trop tard (il y a alors une dépression), le débit à la soupape entre 180deg et l’angle de la RFA sera trop faible, voir même négatif, donc pas bon…

 



Visualisation de la pression maille à maille dans les tubulures d’admission et d’échappement

 

 

            Le graphique ci-dessous montre la pression en amont de la soupape d’admission pour différent régime de rotation. Il est assez important de remarquer que les variations de pression deviennent importante lorsque le régime croit, et inversement. En claire, les effets acoustiques sont prépondérants à haut régime, alors qu’ils sont négligeables à bas régime.

 

Pression amont (Pa) à la soupape admission en fonction du régime et de l’angle vilebrequin

 

A l’échappement :

 

·       @ 493deg : La soupape d’échappement s’ouvre. Les pressions dans la tubulure et dans le cylindre sont alors très différentes : plusieurs bar dans le cylindre, et proche de la pression atmosphérique dans la tubulure. Etant donné l’écart de pression, les gaz sortent très facilement du cylindre et c’est le top départ pour une onde de pression qui part de la soupape vers le collecteur d’échappement.

·       @ 703deg : La soupape d’admission s’ouvre et une onde de dépression arrive à la soupape d’échappement, faisant baisser la pression dans le cylindre pendant le balayage (croissement soupape) et donc favoriser le remplissage en gaz frais (réduction de la masse de gaz résiduel « trappée » dans le cylindre).

·       @ 28deg : La soupape se ferme.

 

Nous pouvons souligner que la pression dans la tubulure d’échappement a moins d’influence que la pression admission (moteur atmosphérique). Par ailleurs, ETorque ne permet pas le couplage des différents cylindres. Le concepteur pourra alors se référer à la littérature afin de concevoir un échappement « bien accordé ».

 

Le couplage des cylindres devant se faire de sorte que la bouffé de pression d’un cylindre ne parvienne pas à un autre cylindre pendant son balayage, afin de ne pas réintroduire des gaz d’échappement dans le cylindre et de ne pas pénaliser le débit à l’admission.

 

 

Les températures dans les tubulures en amont ou en aval des soupapes d’admission et d’échappement sont données à titre indicatif. En effet, ces températures sont assez difficile à prédire car très dépendante des échanges aux parois (entre la culasse et les conduits,  sur les parois au niveau du conduit d’échappement, etc…). Néanmoins, cela donne une indication intéressante.

 

 

            3.6.4 Vitesse isentropique :

 

            C’est la vitesse au niveau de la section minimale de la soupape (section débitante). Cette vitesse est volontairement limitée à une fois la vitesse du son (Mach 1).

 

 

            3.6.5 Nombre de Mach :

 

            Le nombre de mach est calculé à partir de la vitesse isentropique et de la vitesse du son au niveau de la section débitante. Il est intéressant de remarquer l’évolution du nombre de Mach :

·       A l’admission : Le nombre de Mach est maximal lors que la fermeture de la soupape, car la section débitant tend vers zéro alors que le débit n’est pas nul.

·       A l’échappement : Le nombre de Mach est alors maximal à l’ouverture de la soupape, car le débit est important (car « poussé » par la pression cylindre) et la section débitante est alors très faible.

 



           

            3.6.6 Débit massique & volumique :

 

            C’est une valeur déterminante pour le calcul de la performance moteur (moteur à allumage commandé), car ce débit conditionne la valeur de remplissage. Il est donc indispensable de renseigner correctement et précisément les paramètres influençant le calcul du débit d’air, tel que :

 

1.      La pression dans la tubulure d’admission (Calculer par ETorque),

2.      La section réelle au niveau des soupapes (loi de levée)

3.      Les coefficients de débit (CD)

4.      Les diagrammes de distribution.

 

            Evidement, les débits négatifs seront à éviter (autant que faire ce peut évidement) car ils constituent une perte de remplissage, et donc de puissance significative. C’est la même chose au niveau de l’échappement : lors du balayage, un débit négatif à l’échappement signifie qu’une partie des gaz brûlés seront réintroduit dans le cylindre… A moins de vouloir faire de l’IGR, il est préférable de minimiser ce phénomène.

 

            En résumer, tous ce qui doit entrer ne doit pas ressortir, et tous ce qui doit sortir ne doit pas rentrer !

 


 

 

 

3.7 Thermodynamique Plenum :

 

                        3.7.1 Débit Massique Restricteur / Soupape:

 

            Afin de calculer le niveau de pression dans la boîte à air ou le collecteur d’admission (Plenum), il est nécessaire de calculer le débit sortant du volume (Qm Adm). Le débit au restricteur (bride, boitier papillon, etc…) sera ensuite calculé en fonction des niveaux de pression amont et aval du restricteur (principe des écoulements compressible de Saint-Venant).

 

                        3.7.2 Pression Plenum:

 

            C’est la pression statique dans le plenum, calculée à partir des débits entrant et sortant du volume et des échanges thermiques aux parois. De manière générale, on peut observer que :

·       Plus le diamètre et le coefficient de débit du restricteur seront petits, plus le niveau de pression sera faible.

·       Plus le volume plenum sera grand, moins les variations de pression seront importantes.

 

 

                        3.7.3 Température Plenum:

 

            C’est la température instantanée dans le plenum, calculée à partir des débits entrant et sortant du volume, de la pression et des échanges thermique aux parois.

 

 

                        3.7.4 Grandeurs thermodynamiques moyennes:

 

            La pression inlet correspond à la pression en amont du restricteur : cela peut être la pression atmospherique, la pression dynamique ou la pression statique de suralimentation. La pression et la température plenum est calculée à partir de la moyenne de ces grandeurs sur un cycle.

 

 

3.8 Thermodynamique Manifold :

 

                        3.8.1 Débit Massique Restricteur / Soupape:

 

            Afin de calculer le niveau de pression dans le collecteur d’échappement (Manifold), il est nécessaire de calculer le débit entrant dans le volume (Qm Ech). Le débit au restricteur (qui modélise le tube de fuite par exemple) sera ensuite calculé en fonction des niveaux de pression dans le manifold et de la pression échappement renseignée dans les « conditions atmosphérique ».

 

 

3.8.2        Pression Manifold:

           

            C’est la pression statique dans le manifold, calculée à partir des débits entrant et sortant du volume et des échanges de chaleur aux parois.

 

 

                        3.8.3 Température Manifold:

 

            C’est la température instantanée dans le manifold, calculée à partir des débits entrant et sortant du volume, de la pression et des échanges de chaleur aux parois.

 

 

                        3.8.4 Grandeurs thermodynamiques moyennes:

            La pression et la température manifold est calculée à partir de la moyenne de ces grandeurs sur un cycle. La température aval manifold correspond à la température du gaz après détente dans le restricteur.

 

 

3.9 Thermodynamique Turbomachine :

 

                        3.9.1 Champ compresseur : Rapport de Compression:

                        3.9.2 Champ compresseur : Rendement isentropique:

 

            Le point de fonctionnement du moteur, et plus précisément son débit d’air et sa pression de suralimentation, sont reportés sur le champ compresseur par le couple Rpc = f(Qm*) & Rend isentropique = f(Qm*). La ligne d’iso régime du compresseur est également tracée (ligne noir en pointillé).

 

            Ces points de fonctionnement représentent la moyenne sur un cycle du fonctionnement de la turbomachine.

 


 


 

                        3.9.3 Champ turbine : Rapport de Compression:

                        3.9.4 Champ turbine : Rendement isentropique:

 

            Comme pour le compresseur, le point de fonctionnement moyen sur un cycle est reporté sur les champs turbine, c'est-à-dire par le couple Qm* = f(Rpt) et Rend isentropique = f(Rpt). La ligne de fonctionnement du compresseur est également tracée (ligne noir en pointillé).

 

            En ce qui concerne la turbine, il est à noter que les champs turbine renseignés peuvent être corrigés en fonction de la sensibilité de celle-ci aux pulsations de pression à l’échappement. Dans ce cas, une revalorisation des rendements isentropiques peut être envisagée.

 


 


 

                        3.9.5 Paramètres de fonctionnement de la turbomachine:

 

            Un résumé des conditions de fonctionnement de la turbomachine, de l’échangeur d’air de suralimentation et du dispositif de décharge de la turbine est affiché.

 

 

3.10 Paramètre de combustion :

 

            3.10.1 Vitesse de combustion :

            3.10.2 Fraction brûlée :

 

            La vitesse de combustion est en réalité la dérivée de la fraction brûlée par rapport au temps. La fraction brûlée est imposée par l’utilisateur, soit par un modèle paramétré de Wiebe Essence ou de Wiebe Diesel, soit par un modèle personnalisé.

 

            Généralement, la fraction brulée être calculée à partir d’une mesure de pression cylindre seule ou des trois pressions admission, cylindre et échappement (TPA). Le premier mode est assez simple, le second est plus précis mais plus lourd à instrumenter.

 

            En résumer, la fraction brûlée est un élément majeur du modèle (surtout pour les moteurs Diesel). C’est de la précision de ce paramètre que dépendra la précision du calcul (prédiction de la PMI). Il est donc important de prêter une attention particulière à la loi de dégagement d’énergie, ou loi de combustion.

 

Exemple de loi de combustion pour

une loi de Wiebe Essence

 



Exemple de loi de combustion pour divers valeurs de la constante de Wiebe Diesel

           

            3.10.3 Constante thermodynamique (R) :

 

            Le calcul de la constante des gaz (dans le cylindre) est indispensable pour la détermination de la température et de la pression cylindre. On distingue clairement l’évolution de la constante des gaz entre les gaz frais (de 0 à 330deg) et les gaz brûlés (de 330 à 720deg).

 

 

            3.10.4 Coefficient isentropique (g) :

 

            Le coefficient isentropique dans le cylindre est également calculé. Il est fonction de la composition des gaz et de la température dans le cylindre.

 

 

 

3.11 Composition des gaz :

 

            3.11.1 Concentration de chaque espèce :

 

            ETorque calcule la masse de chaque gaz présent dans le cylindre. Le calcul des concentrations permet principalement de calculer les constantes thermodynamiques du mélange gazeux. Ces concentrations ne sont donc pas destinées à être réellement prédictif du niveau de « pollution » des gaz d’échappement (absence de modèle complexe de prédiction de la  formation de HC, NOx, etc.).

 

           

 

            3.11.2 Composition Admission & Echappement :

 

            C’est la composition moyenne, sur un cycle, du mélange gazeux présent dans les tubulures d’admission et d’échappement. Le calcul de l’IGR (Internal Gaz Recirculation) est réalisé en prenant en compte les débits négatifs (back-flow) au niveau des soupapes d’admission et d’échappement. Il est exprimé de la même manière qu’un taux d’EGR.

 

 

 


 

 

Exemple de modélisation

 

 

4.1 Exemple d’un moteur atmosphérique :

 

            Prenons l’exemple du moteur de 2CV4 de 1978 dont les principales caractéristiques sont données par :

 

 

Coupe Horizontale du moteur 425cm²

 

 

Coupe Transversale du moteur 425cm²

 

 

            Avant de commencer quoi que ce soit, je vous conseille d’organiser vos fichiers de manière claire en créant l’arborescence suivante :

 

 

·       Un répertoire racine dans lequel vous enregistrerez le modèle ETorque (ET_2CV4.xls).

·       Ensuite, créez plusieurs sous répertoires afin de bien distinguer la nature des fichiers (Loi de combustion, loi de levée, résultats de calcul, etc…)

 

 

 


Etape #1 : Renseignez la topologie du moteur :


 

           

            Notre meilleure amie sera la « Revue technique automobile ». Normalement, nous y trouverons la quasi-totalité des informations géométriques nécessaire au calcul.

 

 


 

 

 

 


 

 

Etape #2 : Générez les lois de levée & renseignez les diagrammes et les perméabilités


            C’est la partie la plus fastidieuse, mais indispensable pour le calcul. Heureusement, nous avons ce qu’il faut pour générer ces lois : EValve. La revue technique nous donne une levée maximale pour l’admission et l’échappement de 6,14mm, et les diagrammes suivants :

 

 

            Pour l’admission, la durée d’ouverture sera égale à 12+180+54 = 246deg vilebrequin, soit 123deg AAC. La demi-durée d’ouverture de la soupape de 0,53 mm à 6,14 mm sera de 61,5deg auquel nous pouvons ajouter 24,5deg de rampe de silence, soit 86deg. Je vous laisse faire le calcul pour l’échappement, mais par soucis de simplification, nous emploierons exceptionnellement la même loi de levée pour l’admission et pour l’échappement.

 



 

            Enfin, il ne nous reste plus qu’à compléter les angles de calage de levée max et les diamètres de soupapes & de cols. La perméabilité culasse? A moins de disposer d’un flow bench, sélectionnez par défaut des coefficients de perméabilité de mauvaise qualité.

 

 

 


Etape #3 : Ligne d’air et conditions ambiantes:


 

            Il est maintenant temps de modéliser les conduits d’admission et d’échappement, la perte de charge du filtre à air et du carburateur ainsi que les conditions de fonctionnement SAE.

 

 

            Le volume du plenum est dans notre cas lilliputien… puisqu’il n’y a tous simplement pas de plenum ! Dans ce cas, il suffit de déterminer le volume du plenum comme le volume total des conduits de la culasse au carburateur, soit 0,75 dm3. Le diamètre du carburateur est de 30mm, c’est donc lui qui fera le maximum de perte de charge.

 

 

            Afin d’améliorer la modélisation en tenant compte de l’échauffement parasite du plenum, nous renseignons le coefficient de convection (ou son ordre de grandeur), la surface mouillé du collecteur et la température de paroi (nous prendrons une moyenne entre la  température sous capot et la température extérieure).

 

            Afin de connaitre le coefficient de débit de la ligne d’air, il suffit de cliquer sur « MP » et d’introduire une nouvelle mesure. Nous estimerons la perte de charge du carburateur et du filtre à air entre. Tout calcul fait, cela nous donne un coefficient de débit de 0,6.

 

           

            Enfin, connectez tous les cylindres au plenum et renseigne le manifold, tel que :

 


 

 

 


            Ensuite, il nous suffit de renseigner la richesse & les caractéristiques du carburant. Il faut ensuite paramétrer le modèle de transfert aux parois, le modèle de combustion Wiebe Essence et le rendement de combustion (pour une 2CV, 99% sera un bon début).

 



            Et enfin, les conditions de température et de pression de la norme SAE a l’admission, et la pression à l’échappement (en tenant compte des pertes de charge de la ligne d’échappement):

 


 

 


            Maintenant que le modèle est entièrement défini, il ne reste plus qu’à résoudre le modèle pour le régime de puissance max et de couple max (5450 & 3500 tr/min). Pour ce faire, procédons méthodiquement afin de vérifier le bon fonctionnement du Solveur.

 

  1. Dans un premier temps, ne calculer ni le plenum, ni l’acoustique : le calcul est très rapide et cela permet de vérifier la cohérence du modèle et de supprimer les erreurs de modélisation les plus grossières. La puissance, sans acoustique, est alors de 22 Cv.

 

 

 

  1. Ensuite, ajouter l’acoustique à l’admission et à l’échappement : le calcul est plus long mais bien plus réaliste. Vérifier le bon fonctionnement du schéma numérique. En cas de problème, refaite une passe sur la longueur de discrétisation, le nombre de CFL, les Slope Limiteur, etc…

 

 

Nous pouvons remarquer que la puissance « grimpe » à 25 Ch.

 

 

  1. Enfin, faite tourner le calcul avec le plenum et le manifold.

 

 

Et voilà nos 21 Cv…

 

           

            Vous pouvez ensuite faire une courbe de puissance en lançant une MAP. Pour cela, ouvrez la fenêtre MAP et sélectionner la valeur « Cst – Constante ».

 

            Ne sélectionnez pas de variable #2 et lancer un calcul de 3500 tr/min à 5450 tr/min par pas de 1950 tr/min.

 

 

            Après quelques minutes, un fichier résultat est généré. Ouvrer le et tracer les courbes de puissance et de couple. J’ai superposé les valeurs annoncées dans la RTA de la 2CV4 aux valeurs calculées.

 

 

4.2 Exemple d’un moteur suralimenté :

 

 

            Alors évidement l’exemple précédent n’est plus vraiment représentatif des technologies contemporaine. Néanmoins, la modélisation des moteurs modernes est identique. Ce qui change essentiellement, c’est la multiplication des moteurs suralimentés par turbocompresseur.

 

            C’est pour cette raison qu’ETorqueR2 permet de simuler le fonctionnement d’une turbomachine. L’exemple ci-dessous illustre l’impact du fonctionnement d’un moteur à combustion interne couplé à une turbomachine. La démarche à adopter sera la suivant :

 

·       Réalisation d’un modèle sans turbo : Les pressions à l’admission et à l’échappement seront imposées, à priori, en fonction de l’objectifs de performance à atteindre.

 

·       Réalisation du « Turbo-matching » : Le choix du compresseur, de la turbine et de la Wastegate devra être fait indépendamment du modèle moteur, afin de garantir la capacité du turbocompresseur d’atteindre les objectifs de pression de suralimentation fixés préalablement.

 

·       Enfin réaliser le couplage entre le modèle Moteur & le Turbocompresseur.

 

 

 

Etape #1 : Réalisation du modèle moteur

 

            Nous souhaitons obtenir environ 165Ch @ 3500 tr/min d’un moteur diesel de 3.0L de cylindrée. Le rapport A/F sera limité à 20-21. Le détail de la modélisation ne sera pas détaillé mais est disponible dans le modèle ET_Tuto_Turbo.xls. Dans les paramètres du solveur, décochez le calcul de la turbomachine :

 

 

 

            Ajuster ensuite les pressions à l’admission et à l’échappement afin de les mettre en adéquation avec les objectifs de performance. Notez la valeur de contre pression à l’échappement légèrement supérieure à la pression admission.

 



 

                       


            Renseignez la pression et la température d’initialisation, puis lancez le calcul et confirmez les objectifs de performance.

 

 

 

            A ce stade, il est indispensable de connaître d’une part le débit massique qui va traverser la turbomachine, et d’autre part la température amont turbine, tel que :

 

 

 

Etape #2 : Réalisation du « Turbo-matching »

 

 

            Résumons : Nous connaissons le débit massique et la température échappement. Nous pouvons donc vérifier la capacité du turbo à atteindre nos objectifs. Pour cela, ouvrez la rubrique « Turbomachine – Wastegate – Echangeur », puis renseignez le champ compresseur, le champ turbine, et les caractéristiques de l’échangeur.

 

            Assurez-vous de la bonne interpolation des champs et de la justesse des réductions. Choisissez un taux de Waste gate initial (30% par exemple), puis cliquez sur l’onglet « Turbo-matching ».

 

            Ecrivez le débit massique et la température amont turbine issue du calcul en cliquant sur « From RLT » :

 

 

            Puis lancez le Turbo-Matching en cliquant sur l’icone:

 

 


           

            Nous remarquons alors que la pression aval compresseur est supérieure aux attentes, notre objectif étant plutôt au alentour de 2000 mbarA. Nous allons donc modifier le mode de calcul du taux de WG, en choisissant le mode « Pboost », réglé à 2000 mbarA. Lancer le calcul :

 

 

 

            Assurez-vous de la bonne convergence du calcul en cliquant sur l’icône:

 

 

 

             

F Nota : Il est possible de modifier les propriétés des gaz entrant coté compresseur et coté turbine en cliquant sur l’icône :

 

 

 

            Nous pouvons ensuite relancer un calcul avec ces niveaux de pression afin de valider le modèle. Pour cela, ouvrez la fenêtre « Conditions atmosphérique », puis cliquez sur «  Valeurs TM ». La fenêtre suivante s’affiche et vous permet de mettre à jour les pressions et les températures d’initialisation à l’admission et à l’échappement.

 

 

 

F Nota : La pression et la température à l’admission correspondent alors aux conditions aval de l’échangeur d’air de suralimentation.

 


 

 

Etape #3 : Réalisation du couplage

 

            Cette dernière étape est en fait une étape de validation. Ouvrez la fenêtre «Conditions atmosphérique», puis cliquez cette fois-ci sur « Valeur Atm » :

 

F Nota : Dans ce cas, les valeurs de pressions et de températures correspondent aux valeurs utilisées lors du Turbo-Matching.


 


 

            Le calcul de la turbomachine sera automatiquement activé et les valeurs de pressions et de températures d’initialisation du solveur mises à jour : cela permettra une convergence beaucoup rapide du modèle, voir une convergence tout court…

 

           

            Afin de réaliser le couplage, les paramètres du Solveur seront les suivants :

 

 

            Lancer le calcul, et observer la cohérence des résultats :

 

 

                        Coté moteur :


 


 

                        Et coté turbomachine :


 

 

 

 

 


Champs compresseur

 

 


Champs turbine

 

 

 

 



 

 

 

Calcul en

BATCH

 

 

           

            Les deux précédents exemples de calculs sont une bonne illustration des capacités de calcul d’ETorque pour un point de fonctionnement donné.

 

            Néanmoins, de nombreux paramètres sont susceptibles de varier en fonction du régime et de la charge. C’est le cas par exemple en ce qui concerne les paramètres de combustion, les pertes de charge aux conditions limites, ou même le champ turbine pour les turbines à géométrie variable. 

 

            Le chapitre suivant va permettre de décrire précisément une fonctionnalité de ETorque permettant de faire varier n’importe qu’elle paramètre en fonction des volontés de l’utilisateur et de lancer une série de calcul de manière automatique.

 

            Pour cela, la mise en donnée est « délocalisée » dans un fichier externe nommé « BATCH ». Le calcul est toujours lancé et exécuté avec ETorque.

 

 

5.1 Mise en donnée :

 

 

            5.1.1 Présentation du fichier BATCH :


 

            Ouvrez le fichier modèle « 6_ET_Fichier_Model_BATCH.xls », puis enregistrez-le sous un autre nom. Ce fichier est composé de plusieurs onglets :

 

·       Main : Page principale permettant un accès rapide aux variables.

·       Onglets Rouges : Onglets classés par thème, servant à renseigner les variables.

·       Onglets Bleu: Onglets permettant de renseigner des cartographies qui seront utilisées pour faire varier des variables en fonction de n’importe quels paramètres.  Ces onglets sont librement modifiables.

 

 

            L’accès aux variables est plus aisé en cliquant sur les liens de la page « Main », en pointant directement sur la bonne ligne des onglets rouge.

 

 

            En cliquant sur le lien « Topologie », vous accédez directement au paragraphe concerné classé dans l’onglet rouge « Topologie-Thermo ». Les onglets rouges sont construit tel que :

·       Colonne B et C : Nom et unités des variables (ordre non modifiable)

·       Colonne D : Valeur numérique des variables du cas sélectionné en B2 (non modifiable)

·       Colonne E à CY : Valeurs des variables, cas de calcul par cas de calcul (modifiable et pouvant faire appelle à des fonctions ou une lecture dans une cartographie).

 

 

 

            5.1.2 Chargement des variables dans la BATCH :

 

            L’ensemble des variables peut être renseigné ligne par ligne et au cas par cas. Néanmoins, pour gagner du temps, il est possible d’importer un modèle ETorque existant. Pour cela, cliquez sur le bouton « Importer modèle ETorque » présent dans l’onglet « Main ».

 

 

            Sélectionnez un projet ETorque : Ce modèle est maintenant en mémoire dans le fichier BATCH. Si vous souhaitez maintenant écrire l’ensemble des variables du modèle en mémoire dans un des Cas (colonne) des onglets rouges, cliquez sur le bouton « Import » présent dans chaque entête de chaque onglet rouge.

 

 

            Sélectionnez ensuite le numéro du cas :

 

 

            Vous pouvez également effacer un Cas rapidement en cliquant sur « Clear », et en sélectionnant le cas concerné.

 

            5.1.3 Exemple d’une courbe de pleine charge :

 

            Nous proposons dans cet exemple si dessous de lancer le calcul de 5 points de fonctionnement moteur en pleine charge, de 4500 à 6500 tr/min.

 

            Pour cela, importer tout d’abord un modèle ETorque dans les cinq premières colonnes. (Voir 5.1.2). Certaines variables devront ensuite être modifiées par l’utilisateur, telle que le régime, ou par exemple la richesse :

 

 

            Mais il est également possible de renseigner les variables à partir d’une cartographie librement renseignée par l’utilisateur dans un onglet bleu. Pour cela, vous pouvez utiliser la fonction « =READMAP() » installée avec ETorque. Ci-dessous un exemple permettant de fixer la pression de suralimentation à partir d’une cartographie :

 

 

            Détail de la fonction « Readmap » :

 

 

 

           

            Sélection des plages de données ; les valeurs de régime et de charge devant obligatoirement être classées par ordre croissant :

 

 

 

 

            5.1.4 Choix du Rack d’une turbomachine :

 

            Avec le développement des turbomachines à géométrie variable (TGV), il est très utile de pouvoir simuler un moteur ou réaliser un Turbo-Matching avec différente position de la TGV, ou différentes configurations de turbocompresseur.

 

            Pour cela, il est possible de charger dans le fichier BATCH plusieurs champs (turbine ou compresseur) correspondant aux multiples positions de la TGV ou de compresseur à tester.

           

            Pour charger un champ compresseur ou un champ turbine :

 

·       Sélectionnez l’onglet rouge « Rack ».

·       Cliquez ensuite sur le bouton « Importer un champ Compresseur (colonne L) / Turbine (colonne AQ) »

 


 


·       Renseignez ensuite la position du champ (ou numéro de Rack correspondant) :

 

 

            Le champ apparait ensuite dans la liste de Rack. Par défaut, la position 0 correspond au champ présent dans le modèle ETorque importé dans le fichier BATCH :

 

 

·       Sélectionnez ensuite, dans l’onglet « Turbo », le champ qui sera utilisé pour le calcul.

 

5.2 Lancement des calculs :

 

 

            5.2.1 Paramétrage du solveur dans le BATCH :

 

            Sélectionnez l’onglet « Solver ». Vous retrouverez ici l’ensemble des paramètres du solveur d’ETorque. En ligne 5, vous pouvez choisir si le cas devra être calculé par ETorque (valeur =1) ou « jumpé »  (valeur = 0).

 

 

 

                        5.2.2 Lancement du calcul en BATCH avec ETorque :

 

            Dès que votre fichier BATCH est correctement renseigné, refermer le et lancer ETorque. Charger le fichier BATCH dans ETorque en cliquent sur « Charger un projet existant ».

 

 

            La fenêtre suivante apparait. Cette fenêtre fonctionne comme le calcul incrémental d’ETorque, sauf que la variable#1 est ici la valeur du cas présent dans le fichier BATCH.

 

 

            Avant de lancer le calcul :

 

·       Sélectionnez le résultat à mapper (Si <Tous>, n’oubliez pas de sélectionner le répertoire d’écriture).

 

·       Renseignez les valeurs mini & maxi de la variable #1 (par défaut la valeur maximale du nombre de cas présent dans le fichier BATCH).

 

·       Puis lancez le calcul. Le calcul se lance et le déroulement est affiché dans la colonne de droite :

 

 

                        5.2.3 Lancement du calcul en BATCH pour un Turbo-Matching :

 

            Un autre exemple du lancement de calcul en BATCH est ici exposé et appliqué au cas spécifique du Turbo-Matching. Dans ce cas, le modèle moteur ne sera pas lancé, seules les caractéristiques de la turbomachine seront simulées en fonction des conditions limites renseignées.

·       Dans un premier temps, importez votre fichier ETorque comportant l’ensemble des données décrivant votre turbomachine, et accessoirement votre moteur. Ecrivez ensuite ce modèle dans chaque cas (6 dans notre exemple)

 

·       Dans la feuille « Turbo », rendez vous au chapitre « Turbo-Matching ». Complétez ensuite l’emble des conditions limites (débit massique, température, etc…) des lignes 51 à 59.

 

·       Sélectionnez enfin le numéro du champ : la valeur 0 signifie que l’on va utiliser les champs présents dans le modèle ETorque qui vient d’être importé dans le BATCH. (les autres valeurs désignent les numéros de champs éventuellement présents dans la feuille « Rack »).

 

 

·       Rendez vous ensuite dans l’onglet « Solver », et assurez-vous que tous les calculs sont activés. Fermez le fichier BATCH

 

 

·       Lancer ETorque, puis sélectionner le fichier BATCH. La fenêtre « MAP – Calcul Incrémental » s’affiche.

 

·       Dans la catégorie « Résultat(s) à Mapper », sélectionnez :

 

Turb  - Constantes Turbo (TurboMatching)

 

 

 

·       Lancer le calcul, puis sauvegardez le fichier résultat où bon vous semble (voir ci-dessous) :

 

 

 

 

5.3 Exploitation des résultats :

 

 

            Les fichiers résultats sont disponibles dans le répertoire préalablement sélectionné, ou dans le fichier généré à la fin du calcul.

 

 

Exemple de résultats de plusieurs points de fonctionnement de la turbomachine

 

 

            Lorsque tous les résultats sont demandés par l’utilisateur, ETorque génèrera un fichier résultat par cas d’analyse.

 


Exemple de fichiers générés dans le répertoire cible

 

 


 

 

Analyse de la pression cylindre

 

 

 

            Les outils de simulation se veulent le plus prédictif possible. Néanmoins, il est assez judicieux de les utiliser également pour participer à l’amélioration de la compréhension des phénomènes prépondérants participant a la performance énergétique d’un moteur.

 

            L’utilisateur peut ainsi utiliser ETorque comme un outil d’analyse. C’est pour cette raison qu’il est possible de caractériser le déroulement de la combustion à partir d’une mesure physique des pressions & températures in-situ dans le cylindre, et même dans les tubulures d’admission et d’échappement, permettant ainsi de retranscrire le plus fidèlement possible les caractéristiques de remplissage observées au banc moteur.

 

            Le chapitre suivant permet de décrire précisément cette fonctionnalité d’ETorque, dans un premier temps en décrivant la chaîne de mesure à mettre en place et dans un second temps en détaillant leur exploitation.

 

 

6.1 Mesures physiques :

 

            6.1.1 Mesures nécessaires à l’analyse de la pression cylindre :


 

            L’analyse du déroulement de la combustion nécessite une instrumentation du moteur permettant, à minima :

 

·       La mesure de la pression cylindre : Cette mesure se réalise au moyen d’un capteur de pression dit « rapide » directement implanté dans la chambre de combustion, capable de retranscrire la Pcyl pour au moins chaque degré vilebrequin. Il existe beaucoup de modèles, refroidis ou non, et plus ou moins intégrés (à la bougie d’allumage par exemple).

 

Exemple de capteur de pression cylindre  « Kistler»

 

·       La mesure de la position vilebrequin : Un codeur angulaire, placé au niveau du vilebrequin, doit permettre de déterminer l’angle correspondant à chaque mesure de pression. Un autre capteur doit quant à lui localiser le PMH combustion (capteur effet Hall sur l’arbre à came).

 

Exemple de codeur angulaire  « TR ELECTRONIC»

 

·       Un débitmètre massique d’air et de carburant : Le débit d’air massique entrant dans le moteur doit être connu le plus précisément possible, sans quoi le calcul de la fraction brûlée serait totalement faussé. Il en est de même concernant le débit de carburant (ou de la richesse).

 

            Cette chaîne de mesure permet de déterminer les principales caractéristiques comportementale de la combustion (CA10, CA50, etc…). Néanmoins, il est possible d’améliorer encore les capacités d’analyse en mesurant en plus les pressions instantanées à l’admission et à l’échappement.

 

            Cela permettra de connaître les lois de débit au niveau des soupapes,  d’estimer la composition des gaz dans le volume mort au moment du balayage et bien évidement d’améliorer l’analyse de la combustion en améliorant la détection du démarrage de la combustion par exemple. Pour cela, il faut en plus de la précédente chaîne de mesure ajouter :

 

·       Un capteur de pression rapide à l’admission et à l’échappement (en option) : Le type de capteur est identique au capteur de pression cylindre mais reste beaucoup plus simple à implanter, car il est beaucoup plus petit et se trouve dans un environnement plus prompte à l’instrumentation.

 

Exemple de capteur de pression miniature  « Kistler»

 

·       Des capteurs de température de type « thermocouple » (lent) : Ils doivent être localisés au plus près possible des capteurs de pression admission et échappement.

 

 

            6.1.2 Préparation des donnés avant calcul :


 

            Les grandeurs thermodynamiques acquissent par l’ensemble de ces capteurs souffrent assez souvent d’imprécisions ou d’erreurs les rendant potentiellement inexploitable sans post traitement. Les sources d’erreur les plus communes sont :

 

·        Une valeur absolue erronée : Soit par un mauvais gain, ou une mauvaise tare du capteur.

·       Une valeur avec du bruit : Cela peut conduire à une interprétation non physique (pression décroissante lors de la compression, diacre de pression, jitter, etc…).

·       Un décalage des valeurs par rapport à l’angle vilebrequin.

·       Etc…

 

            Pour toutes ces raisons, un post traitement (filtrage) des mesures est fortement recommandé.

 

Exemple de mesure brute et de l’opération de lissage

 

            Par ailleurs, les valeurs de pression instantanées doivent être renseignées pour chaque degré vilebrequin, ce qui n’est pas systématiquement le cas du système d’acquisition. Dans ce cas, il est possible d’utiliser les fonctions « =READMAP() » ou « =YSPLINE() » installées avec ETorque.

 

 

            F Nota : La fonction « =YSPLINE() »  permet de déterminer une Spline à partir d’un tableau de point (X,Y) et de calculer Y pour une valeur X données. Attention toutefois, la table d’entrée doit être classée par ordre croissant des X.

 

 

 

            6.1.3 Utilisation dans ETorque :

           

            Afin d’imposer la pression cylindre au modèle, sélectionnez « Analyse Pcyl Essence ou Diesel », puis sélectionnez le fichier dans lequel sera renseignée la pression instantanée (voir chapitre concerné).

 

 

            Lorsque l’on dispose des mesures de température et de pressions instantanées à l’admission et / ou à l’échappement, elles doivent être renseignées  dans la fenêtre permettant de modéliser les tubulures.

 

            Ainsi, cochez la case «  Imposer la pression admission / échappement » et sélectionnez votre mesure de pression de la même manière que pour la pression cylindre. Renseignez également le température mesurée dans le champ « Température initiale ».

 

 

 

            F Nota : La température et la pression instantanée que nous allons imposer est la pression de bord de la tubulure, c'est-à-dire à la jonction entre le plenum ou le manifold (bord de la tubulure opposé à la soupape).

 

            Un ajustement de la longueur de la tubulure sera donc nécessaire afin de tenir compte de la position de l’instrumentation, tel que :

 

·       Si l’instrumentation a été localisée dans le plenum ou le manifold, ou approximativement à l’entrée de tubulure (à la jonction avec le plenum), il n’y a pas de précaution particulière concernant la modélisation de la tubulure (conservez la longueur réelle).

 

·       A contrario, lorsque l’instrumentation est positionnée juste devant les soupapes (la mesure de pression sera donc la pression en amont de la soupape), il est indispensable de réduire la tubulure à sa plus simple expression afin de ne pas recalculer ce que nous mesurons et ce que nous voulons à fortiori imposer. Pour cela, il faut ajuster sa longueur afin qu’elle corresponde à la distance entre les capteurs et la soupape, voir dans la majorité des cas désactiver le calcul de la tubulure.

 

 

6.2 Calcul de la loi de dégagement d’énergie :

 

            6.2.1 Paramétrage du solveur :


 

            Les paramètres du solveur seront assez différents dans le cas ou l’on impose la pression cylindre et potentiellement les pressions à l’admission et / ou à l’échappement. De plus, l’utilisateur s’efforcera à « caler » le modèle afin que les caractéristiques de remplissage recalculées soient les mêmes que la mesure sur banc moteur.

 

            En conséquence, l’utilisateur cherchera à imposer des mesures, et donc en quelque sorte le résultat du calcul (Pcyl & Qmair). Il est donc inutile de demander au solveur de converger vers une solution, car au mieux le temps de calcul sera long, au pire il deviendra instable et incorrecte.

 

 

            Afin d’inhiber la demande de convergence du modèle, ouvrez la fenêtre « Paramètres & options du Solveur » puis réglez la valeur du seuil phase #2 (convergence finale) à une valeur importante, légèrement inférieure à la phase #1 (qui peut également être augmentée si nécessaire).

 

            Effectuer obligatoirement le calcul sans prendre en compte le Plenum, le Manifold et la Turbomachine.

 

            6.2.2 Calcul avec la pression cylindre uniquement :


 

            Les objectifs de ce calcul sont multiples. Soit l’utilisateur souhaite imposer la pression cylindre afin de ne pas avoir à paramétrer la loi de dégagement d’énergie, soit ce dernier souhaite extraire les caractéristiques principales de la loi de combustion.

 

            Quelque soit le cas de figure, paramétrez le modèle de combustion en mode « Analyse ». Sélectionnez ensuite votre mesure de pression.

 

 

           

           


            Paramétrez enfin le solveur comme décrit précédemment: le modèle est maintenant prêt à fonctionner. L’analyse des résultats de calcul nous permet de connaître, entre autre, la vitesse de combustion et la fraction brûlée issues de l’analyse de la pression cylindre (courbe rouge), et recalculées en fonction du modèle de Wiebe (en bleu).


 



 

            Les constantes caractéristiques du déroulement de la combustion (CA50, Rendement de combustion, etc…) sont également calculées, ainsi que l’ensemble des paramètres du modèle de Wiebe correspondant aux précédents résultats (courbe bleu), telles que :

 

 

            F Nota : Dans cette configuration, toutes les grandeurs thermodynamiques du moteur seront calculées à partir de la mesure renseignée (débit soupape, propriétés des gaz,…). Il est donc primordial que la mesure de pression cylindre soit consistante et cohérant, sans quoi le calcul donnera des résultats faux et illogique.

 

            Il en va de même concernant les caractéristiques de remplissage en air du moteur : une erreur dans l’estimation du débit massique d’air peut fausser les résultats de calcul et l’analyse des paramètres de combustion.

 

            Nous allons donc illustrer cette rigueur dans l’exemple qui va suivre, dans lequel les pressions dans le cylindre, dans la tubulure d’admission et d’échappement seront imposées.

 

 

            6.2.3 Calcul avec les pressions admission, cylindre & échappement:

 

            La prise en compte des trois niveaux de pression, ou Triple Pressure Analysis (TPA), est très intéressante car cela permet de connaître précisément le débit aux soupapes, et donc les caractéristiques de remplissage du moteur.

 

            En contre partie, les valeurs de pression renseignées à l’admission et à l’échappement doivent être introduites dans le modèle avec beaucoup de précaution, sans quoi le calcul des débits aux soupapes sera erroné.

 

            En conséquence, la localisation des points de mesure de pression rapide peut être située en divers endroits tels que décrient ci-dessous : A1, A2, A3 et E1, E2, E3.

 

Différentes positions des thermocouples et capteurs

de pression rapide.

 

·       Dans le Plenum ou le Manifold (A1 & E3) : Il n’y pas de précaution particulière à avoir, renseignez juste de niveau de pression et lancer le calcul.

 

·       Au niveau de l’interface entre le plenum et la tubulure (A2 & E2) : Il n’y pas de précaution particulière, sauf si l’on observe des oscillations de pression importantes susceptibles de surestimer l’amplitude de pression au droit de la soupape. Dans ce cas, il est possible de filtrer la mesure de pression en supprimant ces oscillations lorsque la soupape est fermée.

 

 

 

·       Au droit de la soupape (A3 & E1) : Lorsque la mesure est réalisée en A3 et / ou en E1, il faut impérativement supprimer le calcul de la tubulure, sans quoi la pression en amont de la soupape d’admission (en aval pour l’échappement) sera considérablement « amplifiée » par la faute d’une pression de bord de la tubulure erroné. Pour cela, imposer la pression :

 

 

                        Et désactiver le calcul de la tubulure : la pression sera alors imposée au droit de                      la soupape :

 

 

                        6.2.3 Exemple d’analyse de pression cylindre:

 

            Prenons l’exemple d’un moteur diesel de 4 cylindres, pour lequel on souhaite connaître la loi de dégagement d’énergie à pleine charge et à 4000 tr/min. Les caractéristiques du moteur sont données dans le fichier modèle ETorque de l’exemple « ET_Diesel_Pcyl_Analysis ». Nous disposons des mesures suivantes :

 

·       Les pressions rapides dans le cylindre, à l’admission et à l’échappement (au droit des soupapes, en l’occurrence en A3 et E1).

·       Les températures des thermocouples en A3 et E1.

·       Le débit massique d’air moteur, le rapport Air/carburant, etc…

 

Après calcul, nous avons les caractéristiques suivantes :

 

 

            Nous observons alors la valeur du débit massique d’air à 105,38 kg/h pour un cylindre. La combustion est quant à elle caractérisée par un rendement de combustion de 100% :

 

            La mesure du débit d’air lors de l’essai indiquait pourtant un débit d’air total de 439,8 kg/h, soit un débit par cylindre de 109,9 kg/h. Cette différence peut s’expliquer, et c’est souvent le cas, par un décalage de la valeur absolue de pression rapide. La mesure n’étant pas extrêmement fiable, il s’avère nécessaire de refaire un calage du modèle afin de ramener le débit massique à la valeur jugée fiable et robuste par l’utilisateur.

 

            Pour se faire, nous allons légèrement modifier la pression admission en utilisant la fonction Auto Tune du solveur, tel que :

 

 

            Réglez cette fois ci la valeur de convergence du modèle à 1 ou X % : le modèle sera convergé lorsque le débit d’air calculé sera à moins de X% du débit d’air objectif, et ce en décalant la pression mesurée à l’admission.

 

 

            Après calcul, le débit d’air est maintenant de 109,7 kg/h, grâce à une augmentation de la pression à l’admission de 25,6 mbar sur tous les points de mesure.

 

 

            Nous voyons tout de suite que le remplissage moteur a un impact majeur sur les principales grandeurs caractéristiques de la combustion, telles que :

 

 

Et :