Dpartement Arospatiale et mcanique. Laboratoire de Thermodynamique Universit de Lige Campus du Sart-Tilman - Btiment B49 Parking P33 B-4000 LIEGE (Belgium) tel : +32 (0)4 366 48 00 fax : +32 (0)4 366 48 12 web site : http://www.labothap.ulg.ac.be/cmsms/

Cours de thermodynamique applique.

Laboratoires dtudiants.

Bancs dessai des moteurs combustion interne. Auteur:Bernard GEORGES tel : +32 (0)4 366 48 18 Dernire mise jour : fvrier 2009 email :b.georges@ulg.ac.be

Notes sur moteurs

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Table de matires.

1 INTRODUCTION................................................................................................. 4

2 RAPPEL DU PRINCIPE ET DES PERFORMANCES DU MOTEUR A COMBUSTION........................................................................................................... 5

2.1 Performances nergtiques gnrales...............................................................................................6 2.1.1 2.1.1 Les pertes par refroidissement................................................................................................6 2.1.2 Les pertes lchappement.............................................................................................................6 2.1.3 Les pertes lambiance. .................................................................................................................7 2.1.4 Puissance larbre..........................................................................................................................8

3 DESCRIPTION PHYSIQUE DES BANCS DESSAI MOTEUR. ......................... 8

3.1 Banc dessai du moteur essence Citron XM injection...............................................................8

3.2 Banc dessai du moteur diesel Mercds. ......................................................................................10

4 INSTRUMENTATION DES BANCS DESSAI. ................................................. 11

4.1 Instrumentation du banc dessai du moteur essence......................................................................11

5 INSTRUMENTATION DU BANC DESSAI DU MOTEUR DIESEL. ................. 13

6 BILANS THERMIQUES. ................................................................................... 15

6.1 Rappel des principes. ......................................................................................................................15

6.2 Dfinition et critique du choix des volumes de contrle. ................................................................15 6.2.1 Volume simple.............................................................................................................................15 6.2.2 Volume global..............................................................................................................................17

6.3 Choix du volume de contrle au niveau de lchappement. ...........................................................17

Notes sur moteurs

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Table des illustrations. Figure 1:Vue en coupe d'un moteur explosion..................................................................... 5 Figure 2:Excs d'air en fonction de la puissance du moteur diesel. ........................................ 7 Figure 3: Vue d'ensemble du banc dessai du moteur XM injection. ................................... 8 Figure 4:Vue du frein hydraulique du moteur XM................................................................. 9 Figure 5: Vue d'ensemble du banc dessai du moteur diesel. ................................................ 10 Figure 6: Vue du frein hydraulique du moteur Mercds. .................................................... 10 Figure 7: Schma dinstrumentation du moteur essence XM injection. ............................. 11 Figure 8: Pertes de charge dans le circuit d'admission du moteur essence injection. .......... 12 Figure 9: Pese du rservoir de carburant. ........................................................................... 12 Figure 10: Schma dinstrumentation du moteur diesel Mercedes........................................ 13 Figure 11: Pertes de charge dans le circuit d'admission du moteur diesel. ............................ 14 Figure 12: Illustration du bilan du refroidissement moteur................................................... 15 Figure 13: Volume de contrle du moteur seul. ................................................................... 16 Figure 14: Volume de contrle englobant le circuit dinjection............................................ 17 Figure 15: Mesures de temprature l'chappement. ........................................................... 18

Notes sur moteurs

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1 Introduction.

Le principe du moteur combustion interne est de transformer de lnergie fossile en nergie cintique utilise pour la propulsion de vhicules, la production dlectricit ou autres utilisations. Pour pouvoir comprendre et caractriser le fonctionnement du processus thermique, il est ncessaire de mesurer diffrentes grandeurs physiques avec le moins derreur possible. Le fascicule Notions de mesures sur bancs dessais. explique pratiquement les diffrentes mesures qui sont ralises lors des laboratoires . Pour vrifier le niveau de prcision de ces mesures, on ralise des bilans thermiques qui permettent dabord de vrifier que les premiers principes de la thermodynamique sont respects, ensuite destimer la fiabilit globale des mesures ralises. En cas de bilans errons, on peut vrifier quelles sont les mesures incorrectes, aprs avoir toutefois vrifi les quations utilises pour tablir les bilans.

Notes sur moteurs

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2 Rappel du principe et des performances du moteur combustion.

Un mlange de combustible (essence ou diesel dans notre cas) et de comburant (oxygne de lair ambiant) est ralis dans les proportions requises pour tre inject dans la chambre de combustion constitue par les cylindres (cf. Figure 1).. Le mlange est surchauff par compression des pistons et enflamm, soit par une tincelle provenant de bougies dans le cas du moteur essence (banc dessai du Citron XM), soit par autoallumage dans le cas du moteur diesel (banc dessai Mercds). Lexplosion du mlange entrane le dplacement des pistons. Un systme de bielles-manivelles transforme le mouvement de translation des pistons en mouvement de rotation de larbre moteur Celui-ci entrane une charge rsistante constitue par linertie du vhicule, les diffrents frottements (par exemple lair sur la carrosserie) et rsistances au roulement (roues sur le sol, rotation des engrenages et autres). Dans le cas des bancs dessai, la charge rsistante est constitue par un frein hydraulique dont le principe est dcrit dans le fascicule sur les Notions de mesures sur bancs dessais.

Figure 1:Vue en coupe d'un moteur explosion.

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2.1 Performances nergtiques gnrales. La conversion nergtique se ralise forcment avec des pertes ainsi que lon a vu dans le cours de thermodynamique. On recense principalement, en rgime tabli,

1 Les pertes par refroidissement, 2 Les pertes lchappement, 3 Les pertes par imbrls, 4 Les pertes lambiance.

On peut considrer que la puissance injecte, soit le maximum de puissance disponible [W], est le produit du dbit massique de carburant [kg/s] par son pouvoir calorifique [J/kg].

2.1.1 2.1.1 Les pertes par refroidissement. Le refroidissement du moteur est indispensable pour viter sa destruction. Quand le dbit deau est bien ajust, on peut estimer que les pertes sont de lordre de 30% de la puissance injecte, que ce soit pour le moteur essence ou le moteur diesel. Comme leau de refroidissement est une temprature moyenne de 70 90C, on pourrait rcuprer une partie de cette nergie travers un changeur ( radiateur de chauffage par exemple).Il en rsulte une augmentation du rendement global du systme.

2.1.2 Les pertes lchappement. Les gaz dchappement sortent haute temprature et haute pression pour aller se dtendre latmosphre. Lnergie libre lors de la dtente et le refroidissement est perdue pour le cycle. Quand la combustion est bonne, cette perte est aussi de lordre de 30% de la puissance injecte, pour le moteur essence comme pour le moteur diesel. On peut, entre autres exemples, rcuprer une partie de cette nergie lorsquon utilise un turbo-compresseur pour suralimenter le moteur et injecter plus de puissance pour la mme cylindre.

2.1.3 Les pertes par imbrls.

Dans le cas du moteur essence, on essaie dobtenir une combustion proche de la stchiomtrie, avec le risque dobtenir des imbrls. Le systme dinjection du moteur Renault XM du banc dessai est quip dune rgulation assez sophistique qui empche, en rgime tabli du moins, la perte par imbrls. Le rapport air/essence est donc trs proche de la stchiomtrie ( f stoe =0.068 ) . Lexcs dair en pratique est compris entre 0.00 < e < 0.02. Dans le cas du moteur Diesel, il est impratif, si lon veut viter une formation exagre de suies, davoir un excs dair important. Dans ce cas il na pas de pertes par imbrls. A vitesse de rotation du moteur Diesel constante, le dbit dair aspir est identique. La modulation de puissance du moteur est ralise en modulant le dbit de mazout et lexcs dair va voluer. Cest ce que montrent les rsultats des tests en laboratoire sur le moteur Mercds (cf. Figure 2 ), raliss une vitesse quasi-constante de lordre de 2500 tr/m. Cest

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un rgime moteur rencontr rgulirement lorsque le vhicule circule en en lgre monte 90-100 km/h. Si la pente augmente et quon veut maintenir la mme vitesse, la pression sur lacclrateur engendre une augmentation de linjection de carburant. On voit que lexcs dair est compris entre 1.5 < e < 3.5 , en diminuant quand le dbit de fuel, donc la puissance injecte, augmente. En pratique, ce moment, on observe en gnral de ljection de suie lchappement.

0.0006 0.0007 0.0008 0.0009 0.001 0.0011 0.00120.5

1

1.5

2

2.5

3

3.5

2000

2200

2400

2600

2800

3000

mfuel [kg/s]

e

No

[tr

/min

]

Banc d'essai MercdsExcs d'air en fonction du dbit de fuel

vitesse de rotation quasi-constante

NoNo

2400 < N0 < 2600 tr/min

Figure 2:Excs d'air en fonction de la puissance du moteur diesel.

2.1.3 Les pertes lambiance. Leau de refroidissement circule autour des cylindres et du circuit de lubrification. La masse externe du moteur est porte une temprature moyenne comprise entre celle de leau et celle de lhuile. On peut mesurer cette dernire laide dune sonde de temprature plonge dans le carter qui est une rserve, localise en partie basse du moteur, rcoltant lhuile revenant des pistons et autres organes. La temprature moyenne dchange avec lambiance est souvent proche de 80 90C, avec des zones beaucoup plus chaudes au sommet du moteur autour des cylindres. On peut considrer que les pertes lambiance sont de lordre de 10% de la puissance injecte pour les deux types de moteurs.

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2.1.4 Puissance larbre. La puissance larbre est donc le solde disponible soit un ordre de grandeur de 30% de la puissance injecte. Dans le cadre des bancs dessais Mercds et Renault, elle est convertie en frottement visqueux dans le frein hydraulique. On la mesure de deux manires :

1 On mesure le couple et la vitesse de rotation. 2 On calcule la puissance thermique dissipe dans le frein hydraulique en mesurant le

dbit deau et les tempratures dentre et sortie.

3 Description physique des bancs dessai moteur.

Les composants principaux des deux bancs dessai sont dcrits brivement ci-aprs. Ils sont assez similaires.

3.1 Banc dessai du moteur essence Citron XM injection. La Figure 3 montre une vue densemble du banc dessai du moteur essence Citron XM injection.

Figure 3: Vue d'ensemble du banc dessai du moteur XM injection.

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La Figure 4 montre un gros plan du frein hydraulique accoupl larbre du moteur XM..

Figure 4:Vue du frein hydraulique du moteur XM.

La balance-couplemtre permet de mesurer le couple moteur laide des effets de contre-raction du frein hydraulique (cf. Notions de mesures sur bancs dessais. ).

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3.2 Banc dessai du moteur diesel Mercds. La Figure 5 montre une vue densemble du banc dessai du moteur Mercds avec le frein hydraulique en avant plan.

Figure 5: Vue d'ensemble du banc dessai du moteur diesel.

La Figure 6 montre le systme permettant de mesurer le couple moteur laide des effets de contre-raction du frein hydraulique et du capteur de force. (cf. Notions de mesures sur bancs dessais. ).

Figure 6: Vue du frein hydraulique du moteur Mercds.

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4 Instrumentation des bancs dessai.

Elle est constitue de diffrents capteurs dcrits dans le fascicule des notes de mesures.

4.1 Instrumentation du banc dessai du moteur essence. Le schma dinstrumentation du banc dessai du moteur essence est montr la Figure 7.

Figure 7: Schma dinstrumentation du moteur essence XM injection.

Dans le circuit dinjection, la perte de charge P2 entre la pression atmosphrique et le collecteur dadmission est due au laminage de lair dans le papillon de rglage du dbit . Elle est reporte au tube en U laide dun tuyau souple. (cf. Figure 8).

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Figure 8: Pertes de charge dans le circuit d'admission du moteur essence injection.

Le dbit de carburant est dtermin par pese (cf . Figure 9)

Figure 9: Pese du rservoir de carburant.

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5 Instrumentation du banc dessai du moteur diesel.

Le schma dinstrumentation du banc dessai du moteur diesel.est montr la Figure 10.

Figure 10: Schma dinstrumentation du moteur diesel Mercedes.

La perte de charge P3 entre la pression atmosphrique et le collecteur dadmission est moindre que dans le cas du moteur essence car il ny pas de rglage de dbit dair dans le circuit dinjection. Elle est reporte au tube en U laide dun tuyau souple. (cf. Figure 11).

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

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6 Bilans thermiques.

6.1 Rappel des principes. Les bilans thermiques et les calculs divers sont raliss sur base des notes de cours de thermodynamique. Le choix du volume de contrle peut conduire des erreurs supplmentaires lies des incertitudes de mesure ou de calcul sur les variables. On va illustrer la mthode pour le sous-systme constitu par refroidissement du moteur XM en tenant compte des particularits du circuit eau. En effet, cest le dbit deau dinjection, la temprature t8, qui est mesur (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 lexpression du cours et utilisant les conventions gostes. On crit lexpression littrale de la puissance de manire telle que le sens soit positif si le volume reoit cette puissance. On dtermine par exemple les changes avec lambiance dont la temprature est tamb.

6.2 Dfinition et critique du choix des volumes de contrle. Deux volumes de contrle sont possibles.

6.2.1 Volume simple. Le premier (V1) englobe le moteur lui-mme (cf. Figure 13 ). Pour calculer la puissance du ct eau, on doit connatre le dbit. Hors comme on a dit prcdemment, il est mesur ailleurs. On doit alors crire une quation dun nud hydraulique pour le calculer.

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Figure 13: Volume de contrle du moteur seul.

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Soit m& w le dbit deau traversant le moteur et m& w,inj le dbit deau inject dans la boucle et ressortant lgout. On peut crire, sans tenir compte du lger chauffement apport par la compression de leau dans la pompe, que :

6.2.2 Volume global. On considre un volume de contrle englobant le circuit dinjection (volume de contrle V2 de la figure Figure 14)

Figure 14: Volume de contrle englobant le circuit dinjection

Critique de la mthode du volume global. Dans ce cas la puissance apporte par leau se calcule laide des tempratures t6 et t7. Lerreur supplmentaire de 700W disparat et lerreur probable sur la puissance change (image du T eau ) passe de 0.3/ 11 0.3/76 !!!.

6.3 Choix du volume de contrle au niveau de lchappement. Sur le moteur XM , la temprature des gaz dchappement est mesur la sortie de chaque cylindre et dans le coude du collecteur gnral (cf. Figure 15). On constate que la temprature de collecteur est systmatiquement infrieure de prs de 70 80 K de la temprature moyenne la sortie des cylindres qui est de lordre de 700 750 C.

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Figure 15: Mesures de temprature l'chappement.

La temprature du collecteur est beaucoup plus stable et il est tentant de lutiliser pour calculer les pertes lchappement. Dans ce cas, on dfinit le volume de contrle du moteur en incluant la portion du collecteur. Il faut tenir compte alors de limportant rayonnement du collecteur lextrieur de ce volume de contrle. A titre dexemple, on peut calculer, en connaissant le dbit de gaz, que cette puissance change par rayonnement et par convection, peut atteindre de 1000 1500W ! .