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1 Département Aérospatiale et mécanique. Laboratoire de Thermodynamique Université de Liège Campus du Sart-Tilman - Bâtiment B49 Parking P33 B-4000 LIEGE (Belgium) tel : +32 (0) fax : +32 (0) web site : Cours de thermodynamique appliquée. Laboratoires d étudiants. Bancs d essai des moteurs à combustion interne. Auteur:Bernard GEORGES tel : +32 (0) Dernière mise à jour : février

2 Table de matières. 1 INTRODUCTION RAPPEL DU PRINCIPE ET DES PERFORMANCES DU MOTEUR A COMBUSTION Performances énergétiques générales Les pertes par refroidissement Les pertes à l échappement Les pertes à l ambiance Puissance à l arbre DESCRIPTION PHYSIQUE DES BANCS D ESSAI MOTEUR Banc d essai du moteur à essence Citroën XM à injection Banc d essai du moteur diesel Mercédès INSTRUMENTATION DES BANCS D ESSAI Instrumentation du banc d essai du moteur essence INSTRUMENTATION DU BANC D ESSAI DU MOTEUR DIESEL BILANS THERMIQUES Rappel des principes Définition et critique du choix des volumes de contrôle Volume simple Volume global Choix du volume de contrôle au niveau de l échappement Notes sur moteurs 2

3 Table des illustrations. Figure 1:Vue en coupe d'un moteur à explosion... 5 Figure 2:Excès d'air en fonction de la puissance du moteur diesel Figure 3: Vue d'ensemble du banc d essai du moteur XM à injection Figure 4:Vue du frein hydraulique du moteur XM... 9 Figure 5: Vue d'ensemble du banc d essai du moteur diesel Figure 6: Vue du frein hydraulique du moteur Mercédès Figure 7: Schéma d instrumentation du moteur essence XM à injection Figure 8: Pertes de charge dans le circuit d'admission du moteur essence à injection Figure 9: Pesée du réservoir de carburant Figure 10: Schéma d instrumentation du moteur diesel Mercedes Figure 11: Pertes de charge dans le circuit d'admission du moteur diesel Figure 12: Illustration du bilan du refroidissement moteur Figure 13: Volume de contrôle du moteur seul Figure 14: Volume de contrôle englobant le circuit d injection Figure 15: Mesures de température à l'échappement Notes sur moteurs 3

4 1 Introduction. Le principe du moteur à combustion interne est de transformer de l énergie fossile en énergie cinétique utilisée pour la propulsion de véhicules, la production d électricité ou autres utilisations. Pour pouvoir comprendre et caractériser le fonctionnement du processus thermique, il est nécessaire de mesurer différentes grandeurs physiques avec le moins d erreur possible. Le fascicule «Notions de mesures sur bancs d essais.» explique pratiquement les différentes mesures qui sont réalisées lors des laboratoires. Pour vérifier le niveau de précision de ces mesures, on réalise des bilans thermiques qui permettent d abord de vérifier que les premiers principes de la thermodynamique sont respectés, ensuite d estimer la fiabilité globale des mesures réalisées. En cas de bilans erronés, on peut vérifier quelles sont les mesures incorrectes, après avoir toutefois vérifié les équations utilisées pour établir les bilans. Notes sur moteurs 4

5 2 Rappel du principe et des performances du moteur à combustion. Un mélange de combustible (essence ou diesel dans notre cas) et de comburant (oxygène de l air ambiant) est réalisé dans les proportions requises pour être injecté dans la chambre de combustion constituée par les cylindres (cf. Figure 1).. Le mélange est surchauffé par compression des pistons et enflammé, soit par une étincelle provenant de bougies dans le cas du moteur à essence (banc d essai du Citroën XM), soit par autoallumage dans le cas du moteur diesel (banc d essai Mercédès). L explosion du mélange entraîne le déplacement des pistons. Un système de bielles-manivelles transforme le mouvement de translation des pistons en mouvement de rotation de l arbre moteur Celui-ci entraîne une charge résistante constituée par l inertie du véhicule, les différents frottements (par exemple l air sur la carrosserie) et résistances au roulement (roues sur le sol, rotation des engrenages et autres). Dans le cas des bancs d essai, la charge résistante est constituée par un frein hydraulique dont le principe est décrit dans le fascicule sur les «Notions de mesures sur bancs d essais.» Figure 1:Vue en coupe d'un moteur à explosion. Notes sur moteurs 5

6 2.1 Performances énergétiques générales. La conversion énergétique se réalise forcément avec des pertes ainsi que l on a vu dans le cours de thermodynamique. On recense principalement, en régime établi, 1 Les pertes par refroidissement, 2 Les pertes à l échappement, 3 Les pertes par imbrûlés, 4 Les pertes à l ambiance. On peut considérer que la puissance injectée, soit le maximum de puissance disponible [W], est le produit du débit massique de carburant [kg/s] par son pouvoir calorifique [J/kg] Les pertes par refroidissement. Le refroidissement du moteur est indispensable pour éviter sa destruction. Quand le débit d eau est bien ajusté, on peut estimer que les pertes sont de l ordre de 30% de la puissance injectée, que ce soit pour le moteur à essence ou le moteur diesel. Comme l eau de refroidissement est à une température moyenne de 70 à 90 C, on pourrait récupérer une partie de cette énergie à travers un échangeur ( radiateur de chauffage par exemple).il en résulte une augmentation du rendement global du système Les pertes à l échappement. Les gaz d échappement sortent à haute température et haute pression pour aller se détendre à l atmosphère. L énergie libérée lors de la détente et le refroidissement est perdue pour le cycle. Quand la combustion est bonne, cette perte est aussi de l ordre de 30% de la puissance injectée, pour le moteur à essence comme pour le moteur diesel. On peut, entre autres exemples, récupérer une partie de cette énergie lorsqu on utilise un turbo-compresseur pour suralimenter le moteur et injecter plus de puissance pour la même cylindrée Les pertes par imbrûlés. Dans le cas du moteur à essence, on essaie d obtenir une combustion proche de la stœchiométrie, avec le risque d obtenir des imbrûlés. Le système d injection du moteur Renault XM du banc d essai est équipé d une régulation assez sophistiquée qui empêche, en régime établi du moins, la perte par imbrûlés. Le rapport air/essence est donc très proche de la stœchiométrie ( f stoe =0.068 ). L excès d air en pratique est compris entre 0.00 < e < Dans le cas du moteur Diesel, il est impératif, si l on veut éviter une formation exagérée de suies, d avoir un excès d air important. Dans ce cas il n a pas de pertes par imbrûlés. A vitesse de rotation du moteur Diesel constante, le débit d air aspiré est identique. La modulation de puissance du moteur est réalisée en modulant le débit de mazout et l excès d air va évoluer. C est ce que montrent les résultats des tests en laboratoire sur le moteur Mercédès (cf. Figure 2 ), réalisés à une vitesse quasi-constante de l ordre de 2500 tr/m. C est Notes sur moteurs 6

7 un régime moteur rencontré régulièrement lorsque le véhicule circule en en légère montée à km/h. Si la pente augmente et qu on veut maintenir la même vitesse, la pression sur l accélérateur engendre une augmentation de l injection de carburant. On voit que l excès d air est compris entre 1.5 < e < 3.5, en diminuant quand le débit de fuel, donc la puissance injectée, augmente. En pratique, à ce moment, on observe en général de l éjection de suie à l échappement. 3.5 Banc d'essai Mercédès Excès d'air en fonction du débit de fuel à vitesse de rotation quasi-constante e < N0 < 2600 tr/min 2600 No [tr/min] No m fuel [kg/s] Figure 2:Excès d'air en fonction de la puissance du moteur diesel Les pertes à l ambiance. L eau de refroidissement circule autour des cylindres et du circuit de lubrification. La masse externe du moteur est portée à une température moyenne comprise entre celle de l eau et celle de l huile. On peut mesurer cette dernière à l aide d une sonde de température plongée dans le carter qui est une réserve, localisée en partie basse du moteur, récoltant l huile revenant des pistons et autres organes. La température moyenne d échange avec l ambiance est souvent proche de 80 à 90 C, avec des zones beaucoup plus chaudes au sommet du moteur autour des cylindres. On peut considérer que les pertes à l ambiance sont de l ordre de 10% de la puissance injectée pour les deux types de moteurs. Notes sur moteurs 7

8 2.1.4 Puissance à l arbre. La puissance à l arbre est donc le solde disponible soit un ordre de grandeur de 30% de la puissance injectée. Dans le cadre des bancs d essais Mercédès et Renault, elle est convertie en frottement visqueux dans le frein hydraulique. On la mesure de deux manières : 1 On mesure le couple et la vitesse de rotation. 2 On calcule la puissance thermique dissipée dans le frein hydraulique en mesurant le débit d eau et les températures d entrée et sortie. 3 Description physique des bancs d essai moteur. Les composants principaux des deux bancs d essai sont décrits brièvement ci-après. Ils sont assez similaires. 3.1 Banc d essai du moteur à essence Citroën XM à injection. La Figure 3 montre une vue d ensemble du banc d essai du moteur à essence Citroën XM à injection. Figure 3: Vue d'ensemble du banc d essai du moteur XM à injection. Notes sur moteurs 8

9 La Figure 4 montre un gros plan du frein hydraulique accouplé à l arbre du moteur XM.. Figure 4:Vue du frein hydraulique du moteur XM. La balance-couplemètre permet de mesurer le couple moteur à l aide des effets de contreréaction du frein hydraulique (cf. «Notions de mesures sur bancs d essais.»). Notes sur moteurs 9

10 3.2 Banc d essai du moteur diesel Mercédès. La Figure 5 montre une vue d ensemble du banc d essai du moteur Mercédès avec le frein hydraulique en avant plan. Figure 5: Vue d'ensemble du banc d essai du moteur diesel. La Figure 6 montre le système permettant de mesurer le couple moteur à l aide des effets de contre-réaction du frein hydraulique et du capteur de force. (cf. «Notions de mesures sur bancs d essais.»). Figure 6: Vue du frein hydraulique du moteur Mercédès. Notes sur moteurs 10

11 4 Instrumentation des bancs d essai. Elle est constituée de différents capteurs décrits dans le fascicule des notes de mesures. 4.1 Instrumentation du banc d essai du moteur essence. Le schéma d instrumentation du banc d essai du moteur essence est montré à la Figure 7. Figure 7: Schéma d instrumentation du moteur essence XM à injection. Dans le circuit d injection, la perte de charge P2 entre la pression atmosphérique et le collecteur d admission est due au laminage de l air dans le papillon de réglage du débit. Elle est reportée au tube en U à l aide d un tuyau souple. (cf. Figure 8). Notes sur moteurs 11

12 Figure 8: Pertes de charge dans le circuit d'admission du moteur essence à injection. Le débit de carburant est déterminé par pesée (cf. Figure 9) Figure 9: Pesée du réservoir de carburant. Notes sur moteurs 12

13 5 Instrumentation du banc d essai du moteur diesel. Le schéma d instrumentation du banc d essai du moteur diesel.est montré à la Figure 10. Figure 10: Schéma d instrumentation du moteur diesel Mercedes. La perte de charge P3 entre la pression atmosphérique et le collecteur d admission est moindre que dans le cas du moteur essence car il n y pas de réglage de débit d air dans le circuit d injection. Elle est reportée au tube en U à l aide d un tuyau souple. (cf. Figure 11). Notes sur moteurs 13

14 Figure 11: Pertes de charge dans le circuit d'admission du moteur diesel. Notes sur moteurs 14

15 6 Bilans thermiques. 6.1 Rappel des principes. Les bilans thermiques et les calculs divers sont réalisés sur base des notes de cours de thermodynamique. Le choix du volume de contrôle peut conduire à des erreurs supplémentaires liées à des incertitudes de mesure ou de calcul sur les variables. On va illustrer la méthode pour le sous-système constitué par refroidissement du moteur XM en tenant compte des particularités du circuit eau. En effet, c est le débit d eau d injection, à la température t8, qui est mesuré (cf.figure 12 ) Figure 12: Illustration du bilan du refroidissement moteur. Pour rappel, on exprime le bilan des puissances en tenant compte du terme inertiel selon l expression du cours et utilisant les conventions égoïstes. On écrit l expression littérale de la puissance de manière telle que le sens soit positif si le volume reçoit cette puissance. On détermine par exemple les échanges avec l ambiance dont la température est t amb. 6.2 Définition et critique du choix des volumes de contrôle. Deux volumes de contrôle sont possibles Volume simple. Le premier (V1) englobe le moteur lui-même (cf. Figure 13 ). Pour calculer la puissance du côté eau, on doit connaître le débit. Hors comme on a dit précédemment, il est mesuré ailleurs. On doit alors écrire une équation d un nœud hydraulique pour le calculer. Notes sur moteurs 15

16 Figure 13: Volume de contrôle du moteur seul. Notes sur moteurs 16

17 Soit m& w le débit d eau traversant le moteur et m& w,inj le débit d eau injecté dans la boucle et ressortant à l égout. On peut écrire, sans tenir compte du léger échauffement apporté par la compression de l eau dans la pompe, que : Volume global. On considère un volume de contrôle englobant le circuit d injection (volume de contrôle V2 de la figure Figure 14) Figure 14: Volume de contrôle englobant le circuit d injection Critique de la méthode du volume global. Dans ce cas la puissance apportée par l eau se calcule à l aide des températures t6 et t7. L erreur supplémentaire de 700W disparaît et l erreur probable sur la puissance échangée (image du T eau ) passe de 0.3/ 11 à 0.3/76!!!. 6.3 Choix du volume de contrôle au niveau de l échappement. Sur le moteur XM, la température des gaz d échappement est mesuré à la sortie de chaque cylindre et dans le coude du collecteur général (cf. Figure 15). On constate que la température de collecteur est systématiquement inférieure de près de 70 à 80 K de la température moyenne à la sortie des cylindres qui est de l ordre de 700 à 750 C. Notes sur moteurs 17

18 Figure 15: Mesures de température à l'échappement. La température du collecteur est beaucoup plus stable et il est tentant de l utiliser pour calculer les pertes à l échappement. Dans ce cas, on définit le volume de contrôle du moteur en incluant la portion du collecteur. Il faut tenir compte alors de l important rayonnement du collecteur à l extérieur de ce volume de contrôle. A titre d exemple, on peut calculer, en connaissant le débit de gaz, que cette puissance échangée par rayonnement et par convection, peut atteindre de 1000 à 1500W!. Notes sur moteurs 18

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