journée sft: optimisation des moteurs thermiques 30 ... · 1 journée sft: optimisation des...

1

THERMODYNAMIQ

UE D

ES MOTEURS

THERMODYNAMIQ

UE D

ES MOTEURS

De la

De la

The

rmos

tatiqu

e à la The

rmod

ynam

ique

The

rmos

tatiqu

e à la The

rmod

ynam

ique

Mod

èles de tend

ance

Mod

èles de tend

ance

D.DESCIEUX

M. F

EID

T

Journée SFT: O

ptim

isation des moteurs th

ermiques

30 M

ars 2006

Lab

oratoire

d’Ene

rgétique

et de Méc

anique

Thé

orique

et A

ppliqu

ée -UMR C

NRS 75

63

2, Ave

nue de

la For

êt de Hay

e -BP 160

5451

6 VANDOEUVRE-L

ES-NANCY -FRANCE

2

PLAN D

E LA C

ONFERENCE

PLAN D

E LA C

ONFERENCE

IIntroduction

IILes outils thermodynam

iques

III

Les outils en dévelop

pement

IVQuelques Applications

V

Conclusions -Perspectives

3

I. Introd

uction

II. L

es outils thermod

ynam

iques

III. Les outils en dévelop

pement

IV. Q

uelques applications

V. C

onclusions -Perspectives

INTRODUCTIO

NIN

TRODUCTIO

N

4

BREF H

ISTORIQ

UE D

E LA RELATIO

N ENTRE

BREF H

ISTORIQ

UE D

E LA RELATIO

N ENTRE

MOTEURS THERMIQ

UES ET THERMODYNAMIQ

UE

MOTEURS THERMIQ

UES ET THERMODYNAMIQ

UE

18esiècle M

achine

s à va

peur

1860 M

oteu

r de

LENOIR

1876 M

oteu

r de

OTTO (4 Tem

ps, A

llum

age co

mman

dé)

1892 M

oteu

r de

DIE

SEL (4 Tem

ps, A

utoa

llum

age)

1880-90 Moteu

r à 2 Tem

ps

1957 M

oteu

r WANKEL

1824 É

nonc

é de

CARNOT

1834 É

nonc

é de

KELVIN

1850 É

nonc

é de

CLAUSIUS

1957 N

ice radica

l:

CHAMBADAL

NOVIK

OV

1975 C

URZON

AHLBORN

I. Introd

uction

II. L

es outils thermod

ynam

iques


pement

IV. Q


V. C


5

IMPORTANCE D

E LA TECHNOLOGIE

DES MOTEURS

IMPORTANCE D

E LA TECHNOLOGIE

DES MOTEURS

Exemple

Micro

moteur(U

. Berckley)

Giga moteur (W

artsila)

1820 l et 7780 hp

par cylind

re

Dans la version

14 cylind

res:

Cylindrée to

tale:

25 480 L

Total engine weigh

t: 2300 t (Vilebrequin

300 t)

Puissance M

ax.:

108920 hp à102 rpm

Cou

ple Max.:

7 603 850Nm à102rpm

Rendement:

+ de 50%

Cylindrée:

0.064 mm

3

Rotor:

1 mm

Max. R

PM (est.):

40 000

Puissance (est.):

26 m

W

I. Introd

uction

II. L

es outils thermod

ynam

iques


pement

IV. Q


V. C


6

IMPORTANCE D

E LA TECHNOLOGIE

DES MOTEURS

IMPORTANCE D

E LA TECHNOLOGIE

DES MOTEURS

Exemple

Essence

Diesel

La convergence de m

oteurs ; les appo

rts de l’automatique et d

e l’inform

atique

I. Introd

uction

II. L

es outils thermod

ynam

iques


pement

IV. Q


V. C


7

EXPERIM

ENTATIO

N M

ODELISATIO

EXPERIM

ENTATIO

N M

ODELISATIO

NN

Le cycle réel

Diagram

me de W

ATT

Le prem

ier mod

èle de cycle

Therm

ostatiqu

eDiagram

me de CLAPEYRON

I. Introd

uction

II. L

es outils thermod

ynam

iques


pement

IV. Q


V. C


8

LES OUTIL

SLES OUTIL

STHERMODYNAMIQ

UES

THERMODYNAMIQ

UES

I. Introdu

ction

II. L

es outils thermod

ynam

iques


pement

IV. Q


V. C


9

NOTIO

N

NOTIO

N D

’EFFIC

ACIT

E

D’E

FFIC

ACIT

E : 2: 2n

dndPRIN

CIP

E (Évo

lution

)PRIN

CIP

E (Évo

lution

)

��Efficac

ité d’un

e mac

hine

The

rmom

écan

ique

Efficac

ité d’un

e mac

hine

The

rmom

écan

ique

--au

sen

s du

premier pr

incipe

au sen

s du

premier pr

incipe

--au

sen

s du

secon

d pr

incipe

(facteu

r de

au

sen

s du

secon

d pr

incipe

(facteu

r de

qualité

qualité))

..

.. E

D

UE

eEne

rgétiqu

Dép

ense

Utile

Effet

I=

=η

qmW

réel

I⋅

=&&

réél

.η

Exemple :

; q , chaleur massique de la réaction

du com

bustible

1limite

.

réel

.≤

=II

IIηη

η

I. Introdu

ction

II. L

es outils thermod

ynam

iques


pement

IV. Q


V. C


10

NOTIO

N

NOTIO

N D

’EFFIC

ACIT

E

D’E

FFIC

ACIT

E : 2: 2n

dndPRIN

CIP

E (Évo

lution

)PRIN

CIP

E (Évo

lution

)

��Irréve

rsibilité de

s tran

sfor

mations

réelles

Irréve

rsibilité de

s tran

sfor

mations

réelles

La dynamique station

naire ou in

stationn

aire des systèmes sup

pose

des relation

flux-force

(Therm

odynam

ique des Phénomènes Irréversibles )

Elles résultent pou

r les machines thermom

écanique de :

-la M

écanique des fluides : Écoulem

ents

P, P

ression

-la Therm

ocinétique : transferts de chaleur

T, tem

pérature

-la Therm

ochimie : combu

stion

µ, potentiel chimique

()

P∆ ()

T∆ () µ∆

Ces trois phénom

ènes in

trod

uisent les irréversibilités fondamentales

Rem

arqu

e : autres irréversibilités ; les frottements m

écaniques solides.

d’où D

EGRADATIO

N D

’ÉNERGIE

S(analyse entropiqu

e)

I. Introdu

ction

II. L

es outils thermod

ynam

iques


pement

IV. Q


V. C


11

LES OUTIL

S LES OUTIL

S EN

EN

DEVELOPPMENT

DEVELOPPMENT

I. Introdu

ction

II. L

es outils thermod

ynam

iques

III. L

es o

utils en dév

elop

pem

ent

IV. Q


V. C


12

1. LES COUPLAGES THERMOMECANIQ

UES :

1. LES COUPLAGES THERMOMECANIQ

UES :

MODELES THERMODYNAMIQ

UES

MODELES THERMODYNAMIQ

UES

�Cycles ferm

és ou équivalent de systèm

es ouvert

Rem

arqu

e :

-hy

pothèse courante (régime dynamique stationnaire)

-complém

ent d

u bilan de m

atière

�Rendement d

e cycle

+⋅

+⋅

−

+

⋅+

⋅+

+=∑

22

22

ss

ss

se

ee

ee

ii

Vv

Pu

mV

vP

um

Wq

dtdE&

&&

&

∑∑

++

⋅−

⋅=

kkk

kk

ee

ss

TqS

sm

sm

dtdS&

&&

& i

kTla température entropique associée à l’élém

ent k

−⋅

⋅−

⋅

−

=∑

TTq

ST

TTk

k

I

0 i0

0

1

11

&

&

η

T, la température entropique du fluide actif dans la chambre de com

bustion

(sou

rce thermique)

0T, la température m

oyenne d’échange avec les pu

its thermiques

I. Introdu

ction

II. L

es outils thermod

ynam

iques

III. L

es o

utils en dév

elop

pem

ent

IV. Q


V. C


13

�les courbes caractéristique d’un m

oteur (normes; S

AE, D

IN, A

FNOR)

2. LES CRIT

ERES D’O

PTIM

ISATIO

N2. LES CRIT

ERES D’O

PTIM

ISATIO

N

W& spC C

CN

spC

NW

N&

()

min

/tr

N

Réglage

loi d

e levée de sou

papes

Rem

arqu

e :

WC

NN

Nsp

& ,

, C

-assez proches

-PCI

Cste

CI

sp=

⋅η

CONCLUSIO

N : critères à facettes multiples …

et contraintes (environnem

ent)

I. Introdu

ction

II. L

es outils thermod

ynam

iques

III. L

es o

utils en dév

elop

pem

ent

IV. Q


V. C


14

�une courbe universelle?

Ph. Arquès, chap. III m

esures et essai caractéristiques, Fig. III.17 p114

2. LES CRIT

ERES D’O

PTIM

ISATIO

N2. LES CRIT

ERES D’O

PTIM

ISATIO

N

A m

axim

um de rend

ement

B m

axim

um de puissance

Mais le com

prom

is consommation-po

llution n’apparaît pas

I. Introdu

ction

II. L

es outils thermod

ynam

iques

III. L

es o

utils en dév

elop

pem

ent

IV. Q


V. C


15

QUELQUES

QUELQUES

APPLIC

ATIO

NS

APPLIC

ATIO

NS

I. Introdu

ction

II. L

es outils thermod

ynam

iques


pement

IV. Q

uelques applica

tion

sV. C


16

-Modèles de tendances (différents mod

èles de connaissances)

-Dém

arche ascendante:

du SIM

PLE au COMPLEXE

-Globalisation

des dissipation

s d’énergie : s i

analyse entrop

ique

-Prise en compte :

-des pertes th

ermique (refroidissem

ent)

-des contraintes de m

atériaux (TMAX)

I. Introdu

ction

II. L

es outils thermod

ynam

iques


pement

IV. Q

uelques applica

tion

sV. C


1. THERMODYNAMIQ

UE D

ES CYCLES, D

ES MOTEURS MCI, REVISIT

E

1. THERMODYNAMIQ

UE D

ES CYCLES, D


E

17

�Rendements th

éoriqu

e (therm

ostatiqu

e)

11

−−

=γ

ηv

thrC

vr, rappo

rt volum

étriqu

e

C, C

onstante de cycle

1=

CCycle de Beau de Rochas

() 11 −

∆⋅

−⋅

∆=

γγ

CCycle de Diesel

combu

stion

de

début

combu

stion

de

fin

VV=

∆, rappo

rt volum

étriqu

e de com

bustion

(extension

au cycle mixte, o

u généralisé : M. F

eidt, T

EC et D

OC)

I. Introdu

ction

II. L

es outils thermod

ynam

iques


pement

IV. Q

uelques applica

tion

sV. C


1. THERMODYNAMIQ

UE D

ES CYCLES, D


E

1. THERMODYNAMIQ

UE D

ES CYCLES, D


E

18

()

()

()

cyclée

masse

,

ref.

2

1

0

23

23

41

23

14

23

m

TT

Tk

TT

Cq

Ke

TT

TT

TT

CT

TC

W

pp

v

Cs

vv

v

i

&

−+

⋅+

−⋅

=

≤=

=⋅

=−

⋅−

−⋅

+−

1. THERMODYNAMIQ

UE D

ES CYCLES, D


E

1. THERMODYNAMIQ

UE D

ES CYCLES, D


E

�Cycle de OTTO revisité

pour un moteur non adiabatiqu

e , non réversible

aK

Tk

Tk

qK

TT

TT

p

pp

opt

=⋅

⋅⋅+

=⋅

∆ ⋅−

=1

11

2

1αα

()

1

11

11

1

+

−

⋅−

⋅

+⋅

−⋅

⋅⋅

=−

aa

Ka

Ka

TC

WMAX

vα

α

I. Introdu

ction

II. L

es outils thermod

ynam

iques


pement

IV. Q

uelques applica

tion

sV. C


()

;

22

avec

,

23

pv

pv

kC

kC

T∆T

T+−

=+

⋅=

αα

()

−⋅

−

⋅−

⋅+

∆⋅

⋅=

−21

22

12

11

TTT

KT

TT

TC

Wv

α

19

1. THERMODYNAMIQ

UE D

ES CYCLES, D


E

1. THERMODYNAMIQ

UE D

ES CYCLES, D


E

�Cycle de OTTO revisité

pour un moteur non adiabatiqu

eirréversible à T

MAXim

posé

�Cycle de Diesel (dévelop

pement identiques)

résultats dispon

ibles auprès de l’auteur

()

()

()

−⋅

+⋅

−=

−

=

−

+

−

⋅⋅

=−

KT

T

KTT

WMAX

T

TT

KK

TT

CW

MAX

MR

MR

MR

MR

MAX

MR

MR

v

112

avec

, 1

11

1

2

1

η

I. Introdu

ction

II. L

es outils thermod

ynam

iques


pement

IV. Q

uelques applica

tion

sV. C


20

2. THERMODYNAMIQ

UE D

ES CYCLES, M

ODELES ASC

ENDANTS

2. THERMODYNAMIQ

UE D

ES CYCLES, M

ODELES ASC

ENDANTS

�Le mod

èle du cycle M

ixte (ou

dual)

I. Introdu

ction

II. L

es outils thermod

ynam

iques


pement

V. C


IV. Q

uelques applica

tion

s

21

�Effets des transferts àla paroi (phase de com

bustion)

ref: A. M

ERABET et al.

2

pp

p

kT

kq

=⋅

+=

βα

−+

−=

pv

pv

réac

tion

TT

TK

QQ

2'

22

,,

'22

)(

'2

2'

22T

TQ

vv

+−

=β

α

2. THERMODYNAMIQ

UE D

ES CYCLES, M

ODELES ASC

ENDANTS

2. THERMODYNAMIQ

UE D

ES CYCLES, M

ODELES ASC

ENDANTS

I. Introdu

ction

II. L

es outils thermod

ynam

iques


pement

V. C


IV. Q

uelques applica

tion

s

22

2. THERMODYNAMIQ

UE D

ES CYCLES, M

ODELES ASC

ENDANTS

2. THERMODYNAMIQ

UE D

ES CYCLES, M

ODELES ASC

ENDANTS

I. Introdu

ction

II. L

es outils thermod

ynam

iques


pement

V. C


�Effets des transferts àla paroi (phase de com

bustion)

ref: A. M

ERABET et al.

+ Frottem

ents

IV. Q

uelques applica

tion

s

23

Tw

Inlet

Exhaust

X

h g

Sgw(θ)

Pg,Tg,m

g,V

g

B

St

L

θ

Coe

fficient d’éch

ange

(Hoh

enberg19

79)

Pos

ition du piston

Per

tes pa

r frottemen

t et pom

pag

e(H

eywoo

d)

�Effets des transferts àla paroi h(θ) ; frottem

ents ; combustion ; contre boucle

ref: D. D

ESCIEUX et al.

Mas

se d’air

()

atm

PP

⋅−

=ξ

1int

()

atm

exh

PP

⋅+

=ξ

1

()

atm

gg

Tr

VP

m⋅⋅

=π

int

Com

bustion(W

iebe)

()

θθχ

θd

dHLV

md

dQf

comb

⋅⋅

=

()

∆−⋅

−−

=

+

elsewhere

0

908

.6exp

1

1

0

b

dθθθ

θχ

24.0

44.1pis

pis

MF

vBv

CP

⋅+

⋅+⋅

=

()

()

()

()

()

ωθ

θθ

θθ

gw

gwg

gwT

TS

h

d

dQ−

⋅⋅

=

()

()

()

()

()

06.04.0

8.08.0

5

)(

4.110

θθθ

θg

g

pis

gho

hg

VT

vP

kh

⋅+

⋅⋅

⋅=

−

()

()

()

⋅

−⋅

−−

+⋅

⋅⋅

+=

θθ

πθ

cos

sin

11

42

22

bmbm

bmclea

rg

rr

rL

BV

V

2. THERMODYNAMIQ

UE D

ES CYCLES, M

ODELES ASC

ENDANTS

2. THERMODYNAMIQ

UE D

ES CYCLES, M

ODELES ASC

ENDANTS

I. Introdu

ction

II. L

es outils thermod

ynam

iques


pement

V. C


IV. Q

uelques applica

tion

s

24

�Quelques résultats

ref: D. D

ESCIEUX et al.

2. THERMODYNAMIQ

UE D

ES CYCLES, M

ODELES ASC

ENDANTS

2. THERMODYNAMIQ

UE D

ES CYCLES, M

ODELES ASC

ENDANTS

I. Introdu

ction

II. L

es outils thermod

ynam

iques


pement

V. C


IV. Q

uelques applica

tion

s

25


ref: D. D

ESCIEUX et al.

LV

cyl

5.0=

1=

SBR

16=

εK

T w480

=7.0

=φ

°−

=5

0θ

2. THERMODYNAMIQ

UE D

ES CYCLES, M

ODELES ASC

ENDANTS

2. THERMODYNAMIQ

UE D

ES CYCLES, M

ODELES ASC

ENDANTS

I. Introdu

ction

II. L

es outils thermod

ynam

iques


pement

IV. Q

uelques applica

tion

sV. C


26


ref: D. D

ESCIEUX et al.

LV

cyl

5.0=

1=

SBR

16=

εK

T w480

=7.0

=φ

°−

=5

0θ

2. THERMODYNAMIQ

UE D

ES CYCLES, M

ODELES ASC

ENDANTS

2. THERMODYNAMIQ

UE D

ES CYCLES, M

ODELES ASC

ENDANTS

I. Introdu

ction

II. L

es outils thermod

ynam

iques


pement

IV. Q

uelques applica

tion

sV. C


27

�De Nouvelles exp

ressions ou résultats po

ur les rend

ements limites au sens du 1e

r

principe des principaux cycles de M

CI (O

TTO, D

IESEL, M

IXTE)

�Analogie et différence de celles-ci avec le Nice-Radical de C.N.C.A.

�Modèles ascendant du simple au com

plexe

CONCLUSIONS

CONCLUSIONS

I. Introdu

ction

II. L

es outils thermod

ynam

iques


pement

IV. Q


V. C

onclusion

s -Persp

ective

s

28

Prolong

ements systèmes dans le dom

aine des transports:

Cou

plage de m

oteurs (systèm

es hybrides) dans les transports:

TAC et m

oteur

TAV et m

oteur ( B

MW)

PACo et m

oteur (travaux en cours)

Cou

plage dans les applications statiqu

es

cogénération

-trigénération

dans ce dernier cas apparaissent des m

achines à cycles in

verses

(mêm

e démarche dispon

ible et en développem

ent)

Moteurs de fusées : applications particulière

PERSP

ECTIV

ES

PERSP

ECTIV

ES

I. Introdu

ction

II. L

es outils thermod

ynam

iques


pement

IV. Q


V. C

onclusion

s -Persp

ective

s

29

TAV et m

oteur

"Turbo

steamer"BMW

4cylind

res1,8 litre

la consommation

-15 %

la puissance

+14

chle cou

ple

+20 Nm

Sou

rce BMW

I. Introdu

ction

II. L

es outils thermod

ynam

iques


pement

IV. Q


V. C

onclusion

s -Persp

ective

s

30

MERCI

MERCI

POUR VOTRE ATTENTIO

NPOUR VOTRE ATTENTIO

N

I. Introdu

ction

II. L

es outils thermod

ynam

iques


pement

IV. Q


V. C

onclusion

s -Persp

ective

s

journée sft: optimisation des moteurs thermiques 30 ... · 1 journée sft: optimisation des...

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