Étude théorique et expérimentale d'un moteur hybride pour la valorisation des gaz d'échappement d'un moteur à combustion interne : la microcogénération
Auteur / Autrice : | Zakaria Solaani |
Direction : | Fethi Aloui, Ramla Gheith-Ayed |
Type : | Projet de thèse |
Discipline(s) : | Mécanique, énergétique, génie des procédés, génie civil |
Date : | Inscription en doctorat le 27/12/2022 |
Etablissement(s) : | Valenciennes, Université Polytechnique Hauts-de-France en cotutelle avec Université de Monastir |
Ecole(s) doctorale(s) : | École doctorale polytechnique Hauts-de-France (Valenciennes, Nord ; 2021-....) |
Partenaire(s) de recherche : | Laboratoire : Laboratoire d'automatique, de mécanique et d'informatique industrielles et humaines (Valenciennes, Nord ; 1994-...) |
Mots clés
Résumé
1. Problématique et description de l'installation : Dans un moteur à combustion interne, les deux tiers de l'énergie contenue dans le carburant sont transformés en chaleur. Une perte que les ingénieurs cherchent aujourd'hui à récupérer pour diminuer les consommations. Le constat est donc édifiant. Seuls 30 % de l'énergie contenue dans le carburant servent à faire avancer une voiture. Le reste est dissipé en chaleur par le circuit de refroidissement et surtout par l'échappement, qui dilapide à lui seul plus de 35 % environ de l'énergie initiale. Plutôt que de réchauffer l'atmosphère, les ingénieurs motoristes des grands constructeurs et les équipementiers travaillent sur des systèmes capables de récupérer une partie de cette énergie envolée. C'est le grand défi du moteur à combustion interne, et plusieurs sont les constructeurs qui cherchent des solutions permettant des économie d'énergie et une réduction de l'impact environnemental. Dans cette optique, on se propose de faire une étude répondant au moins à un défi à soulever, c'est celui où on se pose la question : comment récupérer cette énergie thermique fatale et la transformer en énergie mécanique via la cogénération. Plusieurs solutions sont possibles. Notre choix s'est porté sur les machines Stirling dont le rendement s'avère mieux que celui des moteurs à combustion et proche théoriquement de celui des turbines. Un tel système qui est difficile à mettre en place, nécessite des systèmes très spécifiques et un investissement conséquent. Et c'est pour cette raison que notre recherche est orientée vers une collaboration étroite avec le laboratoire LAMIH (UMR CNRS 8201) de l'Université Polytechnique Hauts-de-France à Valenciennes (France) dont il est actuellement en train de mettre en place une installation conséquente pour répondre à ces objectifs. Dans ce banc d'essais équipé d'un moteur à combustion interne (MCI à essence) de 125kW de puissance mécanique et d'un moteur Stirling de type Whispergen (4 cylindres) à double effet, les gaz d'échappement ainsi générés par ce moteur MCI traversent cette machine Stirling. Ces gaz chauds, vont réchauffer le fluide de travail contenu dans le moteur Stirling et permettant de réaliser le processus de son fonctionnement via des compressions et de détentes pour produire un travail mécanique. Une génératrice électrique est couplée à ce moteur Stirling pour générer puissance électrique, qui serait stockée dans des batteries ou dissiper instantanément à bord du véhicule. Cette installation est composée principalement des composantes suivantes : - Un moteur Stirling à double effet d'une puissance de 1 kW électrique, - Un moteur à combustion interne 6 cylindres à essence de puissance 125 kW, - Machine tandem 130 kW pour réaliser une charge sous forme de frein hydraulique, - Instruments de mesures et d'acquisition de données, - Logiciel de simulation de conduite, permettant de conduire virtuellement le véhicule sur route afin de fonctionner en régime instationnaire au niveau de la micro-cogénération. 2. Objectif du travail de la thèse et méthodologie : Les objectifs de ce travail de recherche sont les suivants : 2.1. Estimation des performances de l'installation de micro-cogénération : - L'élément essentiel de l'installation de micro-cogénération, est la chambre de contact entre les gaz chauds issus du moteur à combustion interne et le fluide de travail circulant dans le moteur Stirling. Une simulation numérique CFD de cette chambre (contenant 4 échangeurs de chaleur à ailettes) sera effectuée. La simulation CFD nous permettrait de prédire dans un premier temps le comportement de l'écoulement avec transfert de chaleur en termes de vitesse, de température et de la pression dans le moteur Stirling. Dans un second temps, il s'agit de déterminer la puissance mécanique prévisionnelle délivrée par l'installation de micro-cogénération en utilisant les conditions de fonctionnement déterminées par les modélisations précédentes. - Simulation numérique CFD de la machine Stirling en considérant le fluide de travail afin de prédire les performances de l'installation et de déterminer les paramètres optimaux de fonctionnement. 2.1. Etude expérimentale de l'installation : - Une étude expérimentale globale préliminaire serait élaborée pour qualifier le bon fonctionnement de l'installation avec ses différentes instrumentations qui y seront incorporées. L'objectif est de déterminer les conditions limites de fonctionnement de l'installation. - Une étude paramétrique de l'installation de micro-cogénération serait également proposée, afin de déterminer les paramètres les plus influents sur les performances de l'installation. La méthodologie des plans d'expérience pourrait éventuellement être adoptée. Plus précisément, un Plan Factoriel Composite Central Rotatif (FCCR) sera adopté pour étudier l'influence des paramètres de fonctionnement (Input) sur la puissance mécanique de sortie générée par l'installation de micro-cogénération. Ce plan d'expériences permettrait de déterminer le nombre d'expériences nécessaires ainsi que les points de mesures sur chaque intervalle d'étude.