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Cette partie est consacrée, en premier lieu, à rappeler le principe de suralimentation des moteurs à combustion interne. Puis, une rétrospective de la bibliographie concernant les recherches effectuées plus particulièrement en écoulements pulsés est proposée. Le contexte de la mise en place des moyens d’essai au centre d’essai du CRITT M2A est ensuite abordé.
Afin de bien cadrer le contexte de notre étude, nous allons d’abord rappeler succinctement le fonctionnement d’un moteur thermique à quatre temps.
Le cycle d’un moteur à combustion interne à quatre temps peut se décomposer de la manière suivante :
• 1er temps : l’admission. La soupape d’admission s’ouvre, le piston descend et de l’air est alors aspiré dans le cylindre.
• 2ème temps : la compression. La soupape d’admission se referme et le piston remonte. L’air contenu dans le cylindre est alors comprimé.
• 3ème temps : la combustion et la détente. Le carburant est injecté dans le cylindre, et le mélange air et carburant est allumé. La combustion du mélange entraine alors une augmentation de la pression et de la température qui repousse le piston et entraine une détente des gaz.
• 4ème temps : l’échappement. Une fois le piston arrivé au point mort bas, la soupape d’échappement s’ouvre et le piston remonte. Les gaz brûlés sont alors poussés hors du cylindre.
L’énergie thermique est produite par la combustion du carburant avec le dioxygène de l’air dans le cylindre. La quantité d’énergie produite dépend de la quantité de mélange. Par conséquent, si on souhaite augmenter la quantité d’énergie produite au moment de la combustion, il faut augmenter la quantité de carburant injectée mais également la quantité d’air injectée pour se rapprocher des proportions stœchiométriques. En considérant que le dioxygène de l’air dans le cylindre se comporte comme un gaz parfait, on peut relier sa quantité de matière n à la pression P, au volume V et à la température T dans le cylindre ainsi qu’à la constante des gaz parfait R. On a alors : 𝑛 =𝑃𝑉/𝑅T
On remarque qu’il y a trois solutions possibles pour augmenter la quantité n de dioxygène admise dans le cylindre. On peut :
– Augmenter le volume V d’air admis,
– Augmenter la pression P dans le cylindre,
– Diminuer la température T dans le cylindre (ce qui est difficilement faisable).
Augmenter le volume d’air admis entraine l’augmentation de la cylindrée du moteur. Cette solution bien que longtemps utilisée tend à accroitre la taille et, par conséquent, la masse du moteur. Augmenter la pression dans le cylindre permet d’y augmenter la quantité d’air admis tout en conservant la même cylindrée. Afin d’accroitre la pression dans le cylindre lors de la phase d’admission, un compresseur est placé dans la ligne d’air d’admission du moteur. Il existe deux manières d’entrainer ce compresseur. Il peut être entrainé directement par le moteur grâce à une courroie : on parle alors de « super-charger ». Autrement, il peut être entrainé par une turbine qui puise de l’énergie dans celle contenue dans les gaz d’échappement : on parle alors de turbocompresseur.
La compression de l’air par la roue du compresseur entraine un échauffement de celui-ci. L’utilisation d’un échangeur en sortie du compresseur permet de refroidir cet air, et ainsi d’augmenter sa masse volumique, avant qu’il ne pénètre dans le cylindre. La turbine est placée à l’échappement du moteur. Elle permet de récupérer de l’énergie contenue dans les gaz d’échappement. Elle est placée le plus proche possible des cylindres pour limiter les pertes thermiques. Cette implantation a pour conséquence de faire fonctionner la turbine dans un environnement très instationnaire, dominé par les pulsations créées à l’ouverture des soupapes d’échappement.
Il faut noter que la tendance actuelle de réduction de la taille des moteurs appelée «Downsizing », se traduit par une réduction de la cylindrée et du nombre de cylindres. De plus en plus de moteurs ont une architecture à trois, voire deux cylindres. Cette diminution du nombre de cylindres s’accompagne en général, d’une augmentation des instabilités à l’entrée de la turbine.
Une des difficultés liée à l’utilisation d’un turbocompresseur consiste à savoir coupler parfaitement le turbocompresseur au moteur. Pour optimiser ce couplage, il est nécessaire de tester le turbocompresseur dans des conditions qui s’approchent le plus possibles des conditions d’une utilisation réelle sur moteur. Les turbocompresseurs sont alors testés sur des bancs d’essais dédiés qui permettent de mesurer leurs performances sur l’ensemble de la plage de fonctionnement. Comme il est très difficile de maintenir, au niveau d’essais de réception, ou via des essais comparatifs, tous les paramètres indépendants les uns des autres, les caractéristiques d’un turbocompresseur sont toujours initialement mesurées sur des bancs d’essais spécifiques en conditions stationnaires et stabilisées. On rappelle que la terminologie utilisée dans ce mémoire correspond aux cas suivants :
• Pulsé ou écoulement pulsé: phénomènes liés aux fréquences de rotation du moteur (ou des cycles cylindres)
• Instationnaires ou écoulement instationnaires : phénomènes liés aux fréquences de rotation du turbo
• Transitoire ou écoulement transitoire : phénomènes liés aux phases d’accélération et /ou décélération .
Ces procédures permettent d’établir, dans un premier temps, des cartes de performances à partir desquelles il sera possible d’effectuer des comparaisons entre différentes géométries avec des conditions bien référencées et reproductibles à l’entrée du turbocompresseur. Cependant, la prise en compte des effets pulsés est une préoccupation qui a été mise en évidence depuis environ 40 ans. Elle fait, cependant, encore l’objet d’études tant dans le domaine expérimental que dans le domaine de la modélisation analytique et numérique comme cela est évoqué dans le prochain paragraphe.
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