Sensibilité d'un écoulement de rouleau compressé et des variations cycle à cycle associées à des paramètres de remplissage moteur

Sensitivity of the compressed tumble motion and of the cycle to cycle variations to engine’s air filling parameters.

• Auteur / Autrice : Yujun Cao
• Direction : Jacques Borée, Lionel Thomas, Stéphane Guilain
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Mécanique des milieux fluides
• Date : Soutenance le 17/12/2014
• Etablissement(s) : Chasseneuil-du-Poitou, Ecole nationale supérieure de mécanique et d'aérotechnique
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences et ingénierie des matériaux, mécanique, énergétique et aéronautique (Poitiers ; 2009-2018)
• Partenaire(s) de recherche : Entreprise : Renault
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut Pprime / PPRIME
• Jury : Président / Présidente : Andreas Dreizler
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Bern R. Noack, Frédéric Ravet
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Armelle Cessou, Christian Angelberger

Mots clés

Mots clés contrôlés

Écoulement tridimensionnel

Vélocimétrie par images de particules

Turbulence

Aérodynamique

Moteurs à explosion

Mots clés libres

Décomposition triple

Partitionnement de données

Triple decomposition

Clustering

Résumé

Ce travail concerne l’étude expérimentale de la sensibilité de l’écoulement du moteur et de ses variations cycle à cycle (VCC) à trois variations des conditions aux limitesliée à l’optimisation du remplissage moteur. Dans la configuration standard, l’écoulement tridimensionnel de rouleau (« tumble ») est décrit pendant les phases d’admission et de compression.Un phasage plus précoce de la loi de levée d’admission augmente le débit de masse aux soupapes et amplifie les fluctuations dès le début de l’admission. L’intensité du rouleau est beaucoup plus faible à phase mi-compression. L’énergie fluctuante au point mort haut est plus faible. Une course rallongée du moteur conduit, en fin de compression, à un basculement de l’écoulement moyen et à une évolution très différente des vitesses fluctuantes,due au confinement différent vue par l’aérodynamique du moteur. Enfin, la modification des conduits d’admission entraîne une variation de l’intensité et une structuration fondamentalement différente de l’écoulement. En outre, pour décrire le transfert vers la turbulence,deux méthodologies de classification des structures de l’écoulement en groupe par corrélation spatiale, puis par « clustering » sont adaptées. L’analyse statistique du contenu des différents groupes et des transitions entre groupes permet de montrer que les VCC sont associées à différentes trajectoires dans l’espace des groupes. Des statistiques conditionnelles sont calculées pour analyser les données de chaque groupe et permettent de définir une décomposition triple. Ces caractérisations plus précises des VCC sont très générales et applicables à des grandes bases de données expérimentales ou numériques.

This experimental work concerns a sensitivity study of the in-cylinder flow in aspark-ignition engine and of the cycle to cycle variations (CCV) by comparing three variationsof boundary conditions related to the optimisation of air filling conditions. In the reference case, the three dimensional tumble flow is characterized during the intake and compression phases. A earlier intake cam phase increases the mass flow rate at inlet valves and amplifiesthe fluctuations immediately after the start of intake phase. The tumble ratio is much lowerat mid-compression phase. The fluctuating energy at top dead center is reduced. A longerengine stroke leads, at the end of compression phase, to a shift of mean flow and to a verydistinct evolution of the fluctuating velocity, due to the different confinement from the pointof view of the engine internal flow. Finally, the modification of intake duct design changes theflow intensity and reorganizes in depth the flow structure. Moreover, to describe the transfer into turbulence, two methodologies of classification in groups of flow structures, by spatial correlation then by clustering, are proposed. A phase-averaged analysis of the statistics of group content and inter-group transitions shows that CCV can be associated with different sets of trajectories during the second half of the compression phase. The conditional statistics are computed to analyse the data in each group, which leads to a triple decomposition. It is important to point out that this more accurate evaluation of CCV is applicable to very large sets of experimental or numerical data.