Impact de la présence du gradient thermique sur la propagation d’onde dans les milieux guidés

Impact de la présence du gradient thermique sur la
propagation d’onde dans les milieux guidés

Impact de l’acoustique sur le remplissage d’un moteur thermique 

Ce chapitre présente le fonctionnement des moteurs à combustion interne et la problématique de l’acoustique et du remplissage. Les circuits d’admission et d’échappement sont des systèmes acoustiques qui impactent le remplissage du moteur. La modification d’un circuit influence les phénomènes pulsatoires du moteur. La présence du WCAC sur les moteurs modernes a modifié l’architecture des circuits d’admission ainsi qu’il crée un gradient thermique important dans ce dernier. Le contexte général de la problématique étudiée dans cette thèse est l’objet de ce chapitre. 

Fonctionnement des moteurs à combustion interne 

Un moteur à combustion interne convertit l’énergie thermique dégagée par la combustion des carburants en énergie mécanique. La force générée par l’expansion des gaz due à la combustion, met en mouvement les parties mobiles du moteur tels que le piston, turbine, etc. Pour le transport routier, les moteurs à combustion interne à piston sont utilisés. Le premier moteur à combustion interne commercialisé fut développé par Jean J. Lenoir en 1859 [4]. Le nombre de mouvement réciproque du piston pendant un cycle permet de catégoriser les moteurs en 2-temps , 4-temps et la variante 6-temps où un mouvement aller-retour de piston est ajouté dans un cycle, pour diminuer la consommation de carburant et la complexité mécanique (c’est le cas du moteur mono-cylindre). Le cas qui nous intéresse ici est celui d’un moteur à 4-temps. 

Fonctionnement à quatre temps

 le moteur à combustion interne à quatre temps fut inventé par Nikolaus Otto en 1867 et son fonctionnement est basé sur le cycle de Beau de Rochas. Dans cette motorisation, le piston fait deux aller-retours par cycle entre le point mort bas (PMB) et le point mort haut (PMH) où la vitesse du piston est nulle et chaque cycle se décompose en 4 étapes (figure 1.1) : — Admission Pendant l’admission (PMH -> PMB), le piston descend et les soupapes d’admission sont ouvertes. Cela crée une dépression qui permet de remplir le cylindre avec des gaz (mélange air/essence). Pour le cas idéal, selon le cycle Otto, c’est une transformation à pression et à température constante (figure 1.2). — Compression Ensuite, le piston remonte (PMB -> PMH) et les soupapes d’admission et d’échappement étant fermées, la pression ainsi que la température des gaz dans le cylindre augmentent dans une transformation idéalement adiabatique. — Explosion Pendant la troisième étape, les gaz comprimés contenant du carburant dans le cylindre sont enflammés. Cette combustion augmente la pression des gaz dans une transformation qui est théoriquement à volume constant et fait descendre le piston (PMH -> PMB). Celui-ci fait tourner le vilebrequin et la pression des gaz diminue dans une tranformation idéalement adiabatique. — Échappement Finalement, en ouvrant les soupapes d’échappement, les gaz chauds dans le commencent à sortir et la pression et la température des gaz diminuent dans une transformation isochore. Le mouvement du piston (PMB -> PMH), force les gaz dans le cylindre à sortir au cours d’une transformation théoriquement isobare. En pratique, l’ouverture et la fermeture des soupapes ne sont pas effectuées exactement à PMB et PMH. Ceux-ci sont souvent avancés ou retardés par rapport à PMB et PMH pour apporter des améliorations sur la consommation et la performance du moteur. 

Les éléments des lignes d’admission et d’échappement 

La ligne d’admission et la ligne d’échappement sont constituées de plusieurs éléments (figure 1.3). Le circuit d’admission se compose d’un conduit d’entrée d’air, d’un filtre à air, d’un boitier papillon qui contrôle la quantité d’air, d’un compresseur, d’un refroidisseur de l’air de suralimentation et d’un collecteur d’admission qui distribue l’air entre les cylindres du moteur. La suralimentation permet d’augmenter la puissance d’un moteur sans augmenter sa vitesse de rotation et de diminuer la consommation de carburant et les émissions des polluants. Dans les moteurs suralimentés avec un turbo-compresseur, le compresseur est entraîné par une turbine animée par l’enthalpie des gaz dans le circuit d’échappement et la différence de la pression à travers la turbine. La compression de l’air au travers du compresseur augmente la température de l’air. L’utilisation d’un refroidisseur d’air de suralimentation permet de diminuer la température de l’air admis et de le densifier. Elle permet ainsi d’améliorer la performance du moteur et de réduire les cliquetis dans les moteurs à allumage commandé. Les gaz brûlés traversent la ligne d’échappement pour sortir du moteur. Mais cela n’est pas le seul rôle d’une ligne d’échappement. Elle permet aussi de réduire la nuisance sonore des gaz issus du moteur et de diminuer l’émision d’éléments polluants par l’action des éléments de post traitements catalytiques (catalyseurs d’oxydation, lean NOx trap, SCR, GPF, DPF, etc.). Elle est aussi constituée d’un collecteur d’échappement, d’EGR (Exhaust Gas Recirculation) qui fait recirculer les gaz brûlés dans le circuit d’admission. L’EGR permet de limiter les émissions d’oxyde d’azote des moteurs Diesel et de réduire les cliquetis et améliore la vaporisation du carburant dans les moteurs à allumage commandé [10]. Les circuits d’EGR sont de deux types : le prélevement des gaz d’échappement peut se faire directement au niveau du collecteur d’échappement (EGR dit haute pression) ou après que les gaz d’échappement ont traversé les systèmes de post traitements (EGR dit basse pression). L’inconvénient majeur de l’EGR haute pression dans un moteur Diesel est que les gaz sont chargés en suie et qu’ils encrassent le circuit. De plus, ils ont une température plus élevée que les gaz issus de l’EGR basse pression. Ayant une distance plus faible avec les cylindres, les gaz issus de l’EGR haute pression sont mélangés différemment avec l’air frais d’un cylindre à l’autre [5]. L’EGR basse pression interfére moins dans le fonctionnement du système de turbo [8]. Ce système garantit une diminution supérieure de la consommation et des émissions. De plus, les gaz refroidis  de ce type d’EGR permet une meilleure réduction des cliquetis dans un moteur à essence. Cependant, l’inconvénient majeur de l’EGR basse pression est la baisse plus importante de la température des gaz. Ceci conduit au phénomène de condensation de l’eau des gaz recirculés aux faibles températures ambiantes [6]. Les accumulations d’eau importante vont poser des problèmes tels que les instabilités de combustion, le gel et la casse des composants. Pour éviter cela, il est possible d’implémenter un refroidisseur type air/liquide proche de la culasse (WCAC, Water-Cooled Charge-Air Cooler). Le débit d’eau de refroidissement étant ajustable, il est possible de mieux contrôler le phénomène de gel.