Contribution à l'optimisation de la puissance thermique disponible en régime transitoire pour le confort dans une automobile

Contribution to the optimization of the thermal power avalaible for the car cabin heating during thermal transient periods

• Auteur / Autrice : Cédric Garnier
• Direction : Mohand Tazerout, Jérôme Bellettre
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Sciences pour l'ingénieur
• Date : Soutenance en 2007
• Etablissement(s) : Nantes
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale mécanique, thermique et génie civil (Nantes)
• Partenaire(s) de recherche : Autre partenaire : Université de Nantes. Faculté des sciences et des techniques - École polytechnique universitaire de Nantes Université
• Jury : Président / Présidente : André Lallemand
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : André Lallemand

Mots clés

Mots clés libres

Chauffage additionnel

Modélisation combustion

Démarrage à froid

Simulation Cycle de roulage

Thermique transitoire moteur

Récupération chaleur

Résumé

L'évolution des normes environnementales et la hausse du prix des carburants ont nécessité le développement de moteurs automobile plus efficaces. L'amélioration du rendement des moteurs permet une diminution de la cylindrée et de la consommation, mais diminue la quantité de chaleur évacuée dans le circuit de refroidissement. Le déficit thermique ainsi créé pénalise le chauffage de l’habitacle. Les équipementiers ont alors recours à des systèmes de chauffage additionnels, permettant de combler ce déficit lors des phases thermiques transitoires (démarrages à froid, déplacements urbains). Ce travail de recherche propose le développement d'un système de chauffage additionnel innovant, utilisant le principe de récupération de chaleur sur les lignes d'admission ou d'échappement. Un modèle de combustion zéro-dimensionnel est développé pour la prédiction des performances du moteur et des émissions polluantes. Son couplage à un modèle thermique de l'ensemble du groupe motopropulseur par méthode nodale, permet la prédiction de la température d'air soufflé dans l'habitacle, en fonction de la stratégie de chauffage étudiée et des conditions de roulage du véhicule. Ce modèle global est validé à partir d’essais réalisés en soufflerie climatique. La simulation de différents systèmes innovants, et la comparaison des résultats aux performances de systèmes référencés sur le marché ont permis de mettre en avant le réel potentiel de récupération de chaleur sur la ligne d'admission. Un gain de 28°C sur l’air soufflé et une baisse de consommation de 18% sont par exemple obtenus face aux résistances électriques conventionnelles.

High efficiency automotive engines have been developed to cope with the fuel price rising and air pollution standards evolution. High efficiency combustion leads to reduced engine capacity and fuel consumption for the same performance, but also contributes decreasing the available thermal power for the car cabin heating system. Car parts manufacturers so propose additional heating systems to compensate for the thermal deficit and ensure passengers’ confort during thermal transient periods (cold start, urban driving). The goal of this work is to develop a new additional heating system using heat recovery on admission and exhaust lines. A zero-dimensional combustion model is developed for engine performance and emissions prediction. A thermal simulation software using nodal method to describe heat transfer between the engine components (water loop, oil loop, engine block. . . ) is coupled with the combustion model. The global model is therefore able to predict the car cabin blown air temperature, depending on vehicle characteristics, heating strategies and driving cycles. The software is validated by comparison of numerical results with experimental measurements realised on a car placed in a climatic wind tunnel. Simulations of different new heating systems are finally used to identify the best solution, compared to existing technologies, taking into account environmental and economical objectives. This highlights the significant potential of heat recovery on the engine admission line. An increase of 28°C of the blown air temperature and a decrease of 18% of the fuel consumption are obtained compared to conventional electric heaters.