Contribution of Internal Combustion Engine valve modelling. Experimental and numerical studies.
CONTRIBUTION A LA MODELISATION UNIDIMENSIONNELLE DES SOUPAPES DE MOTEURS A COMBUSTION INTERNE. ETUDES EXPERIMENTALE ET NUMERIQUE
Résumé
Modelling internal combustion engine requires a good comprehension of emptying and filling of
cylinders with air or gas mixture. Thus, a bibliographical study of the different phenomena interfering on
these parameters and of the corresponding models is made. A review of the different experimental device
seen in the literature is also done.
Tests in stationary conditions using a manufactured cylinder head are then conducted. The analysis of
these results is made using the three main valve models: Barré de St-Venant, Benson and Blair. The study of
the assumptions of these models having showed their equivalence in the case of a flow exiting a pipe, the
impact of different assumptions on the experimental results is analysed in detail. The three models assuming
a stationary flow through the valve, some dynamic tests are then performed. These experimental data are
then compared to simulation results from the models. Differences between the three models in the case of
flow entering the cylinders appear and are analysed.
Last but not least, the assumption of non thermal flow through the valve is investigated. High temperature
tests are performed. Tests conditions did not allowed highlighting the importance of thermal losses, a new
model taking in account the thermal transfers is proposed. Its theoretical study allows evaluating the impact
of these transfers on emptying and filling of the cylinders.
La modélisation des moteurs à combustion interne nécessite une compréhension fine de la vidange et du
remplissage en air ou en mélange des cylindres. Pour ce faire, une analyse bibliographique des différents
phénomènes intervenant sur ces paramètres et des modèles apparentés est faite. Une revue des différents
moyens d’essais de la littérature est également effectuée.
Des essais en condition stationnaire sur une culasse issue d’un moteur produit en série sont ensuite
effectués. L’analyse de ces résultats est faite au regard des trois principaux modèles de soupape : Barré de St-
Venant, Benson et Blair. L’étude des hypothèses de ces trois modèles ayant montré leur équivalence en
écoulement sortant d’une tubulure, l’accent est mis sur l’impact des différentes hypothèses sur les résultats
expérimentaux. Les trois modèles prenant pour hypothèse un écoulement stationnaire au col de la soupape,
des essais instationnaires sont ensuite effectués. Ces données sont ensuite comparées à des résultats de
simulation issus des trois précédents modèles. Les différences entre les trois modèles en écoulement sortant
d’un cylindre et rentrant dans une tubulure apparaissent et sont analysées.
Enfin, l’hypothèse d’absence de transferts thermiques est remise en cause. Des essais à haute température
sont pour cela effectués. Les conditions d’essais ne permettant pas quantifier correctement ces transferts
thermiques, un modèle d’écoulement au travers des soupapes prenant en compte les transferts thermiques est
proposé. Son étude théorique permet d’évaluer l’impact de ces transferts sur la vidange et le remplissage du
cylindre.
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