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Guillaume Delay

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01 mars 2005

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Français

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5 Mo

Niveau: Supérieur

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THESE présentée pour obtenir le titre de DOCTEUR DE L'INSTITUT NATIONAL POLYTECHNIQUE DE TOULOUSE Spécialité : ENERGETIQUE ET TRANSFERTS par Guillaume DELAY ANALYSE DES ECOULEMENTS TRANSITOIRES DANS LES SYSTEMES D'INJECTION DIRECTE ESSENCE EFFETS SUR L'ENTRAINEMENT D'AIR INSTATIONNAIRE DU SPRAY Soutenue le 23 mars 2005 devant le jury composé de : MM. BAZILE Rudy Codirecteur, IMF Toulouse BOREE Jacques Membre, LEA Poitiers BRENN Günter Rapporteur, Université de Graz CHARNAY Georges Codirecteur, IMF Toulouse DUM OUCHEL Christophe Invité, CORIA Rouen DURST Bodo Invité, BMW Münich RIETHMULLER Michel Rapporteur, VKI Rhode St Genèse NUGLISCH Hans Joachim Membre, Siemens VDO Toulouse WIGLEY Graham Invité, Université de Loughborough

membres des services administratifs

institut européen de recherche sur les systèmes electroniques dans les transports

analyse des ecoulements transitoires dans les systemes d'injection directe

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01 mars 2005

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Français

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THESE présentée pour obtenir le titre de DOCTEUR DE L'INSTITUT NATIONAL POLYTECHNIQUE DE TOULOUSE

Spécialité : ENERGETIQUE ET TRANSFERTS par Guillaume DELAYANALYSE DES ECOULEMENTS TRANSITOIRES DANS LES SYSTEMES D’INJECTION DIRECTE ESSENCE EFFETS SUR L’ENTRAINEMENT D’AIR INSTATIONNAIRE DU SPRAY Soutenue le 23 mars 2005 devant le jury composé de : MM. BAZILE Rudy Codirecteur, IMF Toulouse Membre, LEA PoitiersBOREE Jacques BRENN Günter Rapporteur, Université de Graz CHARNAY Georges Codirecteur, IMF Toulouse DUMOUCHEL ChristopheInvité, CORIA Rouen DURST Bodo Invité, BMW Münich t RIETHMULLER Michel Rapporteur, VKI Rhode S Genèse NUGLISCH Hans Joachim Membre, Siemens VDO Toulouse WIGLEY Graham Invité, Université de Loughborough

A, et surtout avec toi, Claire

Ji Ta Kyô Ei  Amitié et entraide mutuelle Maître Jigoro Kano, fondateur du Judo (18601938)

REMERCIEMENTS

REMERCIEMENTS Tout cours de combustion qui se respecte contiendra le fameux concept de triangle du feu. Ce dernier précise que toute combustion nécessite une énergie d'activation, un combustible et un comburant et afin de dégager par la suite de l'énergie. Il en va de même pour ce travail qui n'aurait pu être réalisé sans la présence et la personnalité de trois personnes que je tiens à remercier très sincèrement. Jacques Borée, enseignant passionné, passionnant et insatiable chercheur, est l'étincelle de ce trio. Il m'a tout d'abord fait découvrir la mécanique des fluides au début de mes études et a ensuite était l'initiateur du programme de recherche de ma thèse. Bien que nos chemins se soient séparés très tôt, ses remarques et questions ont toujours été judicieuses et sources de nombreuses réflexions. Hans Joachim Nuglisch, qui apporte au quotidien la démonstration que compréhension physique et milieu industriel ne sont pas antinomiques, n'a cessé d'alimenter cette étude de nouvelles idées, orientations, partenaires, sujets, ne m'ayant ainsi jamais laissé en panne sèche! Cette collaboration fût un réel plaisir pour ma part, aussi enrichissante scientifiquement qu'humainement. Claire, aujourd'hui ma femme, toujours ma complice depuis plus de huit ans et rail de sécurité ponctuel, a été le comburant de ce triangle. Sa présence, son soutien et surtout sa patience ont constitué les bouffées d'oxygène qui m'ont permis non seulement de mener à bien ce projet au quotidien, mais aussi de l'oublier lorsque cela devenait nécessaire. Merci pour ta compréhension et ton aide lors de ces nombreuses soirées et weekend de rédaction. Cette alchimie particulière n'aurait toutefois pu porter ses fruits sans la coopération et le soutien de Martine Blaimont et François Vernières de l'Institut Européen de Recherche sur les Systèmes Electroniques dans les Transports. Je les remercie aujourd'hui d'avoir accepter de m'intégrer au sein de leur équipe et de me prendre en charge tout au long de ces trois années. A ce titre, je remercie aussi les membres permanents du groupe EEC à savoir Georges Charnay et Rudy Bazile, mes directeurs de recherche, Gérard Couteau pour son aide dans la conception et la réalisation des moyens d'essais, Karine Cantèle et Florence Colombies pour leur gestion alliant efficacité, sainte patience et bonne humeur. Les services d'intérêts généraux de l'IMFT ont aussi toujours répondu présent à mes nombreuses sollicitations, pour ma thèse ou la vie au laboratoire, de la reprographie au service Réseau et Informatique, en passant par Seb, Manu et Hervé de Signaux et Images, et par les membres du Service Administratif. Merci à vous tous pour le support que vous nous apportez.

REMERCIEMENTS

Bien qu'ayant passé beaucoup de mon temps dans le laboratoire d'injection, je dois reco nnaître que les moments passés dans le bureau 303 restent inoubliables de par la présence d'une entité complexe et mystérieuse nommée VincentJosianne. Ardent pourfendeur de PC et adorateur de la pomme, comme tout numéricien dans l'âme qui se respecte il poussait des miaulements hystériques à la vue d'une clé de 10 ou de tout autre outil. Secrétaire assidue et performante à la si douce voix, je te remercie pour toutes ces parties de tenniscynique au dessus de nos écrans nous protégeant de nos visions respectives, mais surtout pour ton soutien et ton humour qui m'ont permis de passer de nombreux moments délicats. Le travail d'expérimentation nécessite certes beaucoup de minutie et de rigueur, mais surtout de la persévérance, voire de l'entêtement. Ainsi, je vous remercie Moïse et Anne pour toutes ces heures laborieuses passées au milieu des lasers, des injecteurs et de leurs sprays. Nous y avons passé beaucoup de temps, mais cela n'aura pas été vain, ni pour nos travaux, ni pour notre amitié. Je tiens aussi à remercier particulièrement Livier, expérimentateur hors pair, pour m'avoir fait profiter de ses intarissables connaissances dans le domaine de la métrologie laser, des signaux et du traitement d'image, le tout, cela va s'en dire, sous Matlab (qui peut bien sûr tout faire...). Enfin, merci à tous les doctorants, stagiaires et postdoctorants que j'ai rencontrés au cours de ces trois ans pour l'ambiance qu'ils assuraient, leur aide et leurs questions. Merci à vous les Julien, Vincent, Pascal, Olivier, Mamour, les Jérome, Thomas, Mathieu, Caro, Laure, Brice, Magali, Benjamin, les Xavier, Arthur, Anthony, Ludo, Nicolas, les Pierre, Coralie, les Franck, les Anne, Cécile.

RESUME RESUME L’objectif de cette étude est de déterminer l’effet des fluctuations de débit liquide instantané d’un injecteur (aussi appelé taux d’introduction) sur l’entraînement d’air instationnaire d’un brouillar de gouttelettes pulvérisées (spray). L’injecteur est de type injection directe essence deuxième génération à commande piézo-électrique. Pour ce faire, nous utilisons plusieurs outils, expérimentaux et numériques. La première partie de ce travail concerne la mise en place d’une méthode de mesure de débit liquide instantané. Cette dernière, basée sur la modélisation physique des écoulements pulsés, nécessite la seule mesure par moyenne de phase de la vitesse de l’écoulement à l’axe d’une conduite alimentant l’injecteur. On peut alors « reconstruire » les profils de vitesse transversaux instantanés au sein de la conduite et obtenir le débit liquide instantané. Cette technique est ici validée pour la première fois en comparant les profils de vitesses obtenus par reconstruction à ceux mesurés par Anémométrie Laser Doppler (ALD). Toutefois, cette technique ne donne accès qu’au débit en amont de l’injecteur. L’utilisation d’un logiciel de « modélisation système » hydraulique et mécanique (AMESim) nous permet d’obtenir le débit liquide instantané en sortie de l’injecteur. La validation des mesures est réalisée grâce aux résultats de la méthode de reconstruction et à des mesures de pression de rampe d’injection. La deuxième partie traite de l’étude instationnaire de l’entraînement d’air du spray. En raison des contraintes liées à l’utilisation de méthodes optiques en milieu diphasique dense, nous utilisons une méthode de Vélocimétrie par Images de Particules Fluorescentes (FPIV). On accède ainsi à l’écoulement d’air autour, voire à l’intérieur du cône du spray (pression de carburant de 50 bars). En réalisant des mesures de vitesse d’air en proximité de la frontière du spray durant et après l’injection, nous obtenons l’entraînement d’air instationnaire de la nappe diphasique. A partir de considérations sur la force de traînée des gouttes et sur l’échange de quantité de mouvement du spray avec l’air, nous dégageons des tendances d’évolution de l’entraînement d’air en fonction du débit liquide instantané du spray (obtenu par la méthode de reconstruction et la modélisation AMESim). L’utilisation de données de granulométrie et de vitesse du carburant en sortie de l’injecteur permet enfin de proposer un modèle d’entraînement instationnaire adapté à l’injecteur utilisé et fidèle aux tendances mesurées par FPIV. Mots clefs : Spray à nappe diphasique dense conique creuse Ecoulements instationnaires en conduite Modélisation de l’entraînement d’air Anémométrie Laser Doppler Vélocimétrie par Images de Particules Fluorescentes Mesure de débit liquide instantané AMESim

ABSTRACT ABSTRACT The aim of this study is to determine instantaneous liquid flow rate oscillations effect on non stationary air entrainment for a Gasoline Direct Injection piezoelectric driven injector. The tools we use are either experimental or numerical ones. The first part of this work deals with the set up of an instantaneous flow rate determination method. It is based on pulsated flows physics and only requires the phase-averaged velocity at the centreline of a pipe mounted just before the injector. So, it is possible to “rebuild” the instantaneous velocity distributions and then to get the instantaneous liquid flow rate. This is the first time that this method is validated by matching rebuilt velocity distributions and direct Laser Doppler Anemometry measurements (LDA). However, this technique measures instantaneous liquid flow rate only before the injector. Thus, the use of a mechanical and hydraulics modelling software (AMESim) is necessary to get injector outlet flow rate. Simulations are validated by both “rebuilding” method results and common rail pressure measurements. The second part of this study is dedicated to spray transient air entrainment. Because of optical constraints induced by dense two-phase flows, we use the Fluorescent Particle Image Velocimetry (FPIV) to be able to analyse air flow around and even inside the spray for low fuel pressures (50 bars). Velocity measurements close to the spray frontier achieved during and after injection are used to compute instantaneous air entrainment. Considering droplets drag forces and spray momentum exchange with air gives air entrainment dependency to injector instantaneous liquid flow rate (from rebuilding method and AMESim modelling). Thanks to measurements of droplet diameters and liquid velocity at injector outlet, a transient air entrainment model is proposed matching with FPIV measurements. Keywords: Hollow cone dense spray Transient pipe flows Air entrainment modelling Laser Doppler Anemometry Fluorescent Particle Image Velocimetry Instantaneous liquid flow rate measurements AMESim

NOMENCLATURE LETTRES LATINES : af: amplitude d'harmonique du fluide ap: amplitude d'harmonique d'une particule ALD : Anémométrie Laser Doppler b : demi largeur du jet b : forces volumiques Bi: intensité d'onde incidente Br: intensité d'onde réfléchie BP : Basse Pression BSA : Burst Spectrum Analyser C : célérité d'une onde ci: coefficient de Fourier C.C. : Complexe Conjugué CCD : Coupled Charge Device Cd : coefficient de traînée CDB : Coup De Bélier CF4: Tétrafluorométhane CO : Monoxyde de Carbone DCM : DiChloroMéthane dm: diamètre du volume de mesure laser D32: diamètre moyen de Sauter dx : pas de discrétisation spatiale E : module d'Young Ep' : entraînement relatif f : fonction de porosité FPIV : Fluorescent Particle Image Velocimetry Finj: fréquence d'injection GBF : Générateur Basses Fréquences Hop: constante d'entraînement en zone proche HC : HydroCarbures HP : Haute Pression ik: angle d'incidence IDE : injection directe essence J0: fonction de Bessel du premier ordre J : échange de quantité de mouvement k : nombre d'onde

NOMENCLATURE

K : Kelvin Kop: constante d'entraînement en zone lointaine L : longueur d'établissement en régime stationnaire le: longueur d'établissement en régime pulsé lm: longueur du volume de mesure laser MP : Moyenne Pression . m : débit d'air instantané . <m> : entraînement statique .. m : taux d'accroissement de l'entraînement n : concentration de la nappe diphasique en gouttelettes nk: indice de réfraction np' : concentration relative NOx : Oxydes d'Azote P : pression PC : Carbonate de Propylène PDA : Phase Doppler Analyser PIV : Particle Image Velocimetry PM : PhotoMultipicateur PMH : Point Mort Haut P' : gradient de pression normalisé Qmoy: débit volumique moyen Q(t) : débit liquide instantané R : rayon du tube de mesure Re : nombre de Reynolds en régime stationnaire Red: nombre de Reynolds en régime pulsé RX: reflux d'air initial Tconv: temps caractéristique de la convection Tvisc: temps caractéristique de la viscosité S : section Si: surface d'intégration Ta : nombre de Taylor u, U : vitesse V : volume LETTRES GRECQUES : a: paramètre de Womersley b: module de compressibilité d: longueur de Stokes

NOMENCLATURE

D : erreur relative Dt50%entraînement statique: temps de demi e: porosité eij: taux de déformation h: rayon sans dimension (ou réduit) q: angle du spray l: paramètre de Stokes lALD: longueur d'onde du laser ALD continu m: viscosité dynamique mCDB: nombre de trajets de l'onde de coup de bélier n: viscosité cinématique r: masse volumique s : tension superficielle t: temps caractéristique sij: contrainte S: tenseur de contraintes w: pulsation c: compressibilité

NOMENCLATURE

Table

des

matières

CONTEXTE GENERAL POLLUTION ET REGLEMENTATION . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . EVOLUTION DE L’ARCHITECTURE DES MOTEURS A ALLUMAGE COM-MANDE . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1.2.1 Injection indirecte . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1.2.2 Injection directe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1.2.2.a Principe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1.2.2.b Les régimes homogène et strati…é . . . . . . . . . . . . . . . . . 1.2.2.c Contraintes environnementales . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1.2.3 Conséquences sur les systèmes de carburant IDE . . . . . . . . . . . . . . DETERMINATION EXPERIMENTALE DU DEBIT LIQUIDE INSTANTANE 1.3.1 Pesée continue . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1.3.2 Tube dit "de Bosch" ou cor de chasse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1.3.3 Débitmètre à piston EMI2 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1.3.4 Mesure laser d’écoulement pulsé . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ANALYSE PAR VELOCIMETRIE LASER DE L’ENTRAINEMENT D’UN JET DIPHASIQUE DENSE . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . INFLUENCE DU DEBIT LIQUIDE INSTANTANE SUR LE DEVELOPPE-MENT INSTATIONNAIRE DU SPRAY . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . DEMARCHE SCIENTIFIQUE DE L’ETUDE . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

1.1 1.2 1.3 1.4 1.5 1.6

ANALYSE PHYSIQUE DES ECOULEMENTS LIQUIDES PULSES 2.1 PROFIL DE VITESSE D’UN ECOULEMENT PULSE . . . . . . . . . . . . . . 2.1.1 Ecoulement soumis à un gradient de pression périodique sinusoïdale . . . 2.1.2 Généralisation aux écoulements instationnaires . . . . . . . . . . . . . . . 2.1.3 Détermination expérimentale des amplitudes des gradients de pression . .

7 7

8 8 9 9 11 12 13 15 15 16 17 17

20 21

23 24 24 28 29

Voir