Efficacité du système


Nous avons montré dans la partie précédente l’intérêt d’un tel système d’aspiration. Les réductions de traînée observées sont intéressantes. Cependant, l’intérêt global d’un tel dispositif reste à démontrer. En effet, le coût énergétique de la pompe doit être inférieur au gain de traînée engendré par l’installation du système. A cet effet, nous définirons dans cette partie le rendement du système puis déterminerons les paramètres qui vont rendre son efficacité optimale.

 

1°) Définition

 

            La définition du rendement de ce système est plutôt simple : l’objectif est de juger si la puissance gagnée par le véhicule est supérieure à la puissance dépensée pour effectuer l’aspiration. Si le quotient de ces 2 puissances est supérieure à 1, alors le contrôle aérodynamique effectuée sur le véhicule sera jugé efficace. Les documents, fournis l’an dernier par M. Kourta aux étudiants travaillant sur les projets d’aérodynamique automobile, nous permettent d’expliciter ces 2 termes. On obtient finalement la formule suivante :


2°) Calculs

 

L’objectif est ici de déterminer, parmi les différents systèmes étudiés précédemment (taille de la fente et étendue de la fente), celui qui va donner la meilleure efficacité et à quelle vitesse de aspiration peut-on espérer obtenir les meilleurs résultats. Nous présentons dans le  détail les 5 cas étudiés, puis nous conclurons cette partie par une synthèse de toutes ces solutions.

 

-         4mm sur 93%

 

Cas de figure

Trainée

Variation de trainée (%)

Gain de traînée (%)

Efficacité

Sans contrôle

152

0,00

0

 

Soufflage 0.5 Vo

156,7

3,09

 

 

Soufflage Vo

159

4,61

 

 

Soufflage 2 Vo

163,6

7,63

 

 

Aspiration 0.5 Vo

151,01

-0,65

0,65

1,156

Aspiration 0.75 Vo

150,3

-1,12

1,12

0,590

Aspiration Vo

148,4

-2,37

2,37

0,527

Aspiration 1,25Vo

146,4

-3,68

3,68

0,419

Aspiration 1,5Vo

144,2

-5,13

5,13

0,338

Aspiration 2 Vo

139,3

-8,36

8,36

0,232

 

Avec ces dimensions, le système de contrôle permet d’atteindre une réduction de traînée de plus de 8%. Cependant l’efficacité du système est maximale seulement pour une aspiration de vitesse égale à 20m/s. Cette efficacité est tout de même faible car de l’ordre de 1,2.

 

-         8mm sur 93%

 

Cas de figure

Trainée

Variation de trainée (%)

Gain de traînée (%)

Efficacité

Sans contrôle

220,4

0,00

0

 

Aspiration 0.5 Vo

216,44

-1,80

1,8

1,600

Aspiration 0.75 Vo

212,2

-3,72

3,72

0,980

Aspiration Vo

207,1

-6,03

6,03

0,670

Aspiration 2 Vo

192,1

-12,84

12,84

0,178

 

Ici, pour une aspiration 2 fois plus large, la traînée peut être diminué de presque 13%. Cependant le coût de l’aspiration est trop élevée et le rendement ne dépasse pas 0,2. Ici encore, l’efficacité est la meilleure pour une aspiration à 0,5 V0 atteignant 1,6.

 

       4mm sur 46%

 

Cas de figure

Trainée

Variation de trainée (%)

Gain de traînée (%)

Efficacité

Sans contrôle

222,2

0,00

0

0,000

0,5

221,2

-0,45

0,45

1,618

0,6

220,98

-0,55

0,55

1,142

0,7

220,52

-0,76

0,76

0,990

Aspiration 0.75 Vo

220,3

-0,86

0,86

0,911

0,8

219,92

-1,03

1,03

0,900

0,9

219,59

-1,17

1,17

0,724

Aspiration Vo

218,9

-1,49

1,49

0,667

1,5

216,16

-2,72

2,72

0,362

2

212,7

-4,28

4,28

0,240

 

            Nous avons également testé des fentes plus courtes, réparties seulement sur la moitié du montant de la voiture. L’efficacité est encore assez bonne (1,62), mais le gain de traînée est beaucoup plus faible (seulement 0,45% contre 1,8% pour le fentes réparties sur 93%)

 

-         4mm sur 30%

 

Cas de figure

Traînée

Variation de trainée (%)

Gain de traînée (%)

Efficacité

Sans contrôle

215,57

0,00

0

 

Aspiration 0.5 Vo

214,23

-0,62

0,62

3,426

Aspiration 0.75 Vo

213,58

-0,92

0,92

1,508

Aspiration Vo

213,01

-1,19

1,19

0,818

Aspiration 1,5 Vo

210,5

-2,35

2,35

0,480

 

            Avec cette plus petite longueur de fente d’aspiration, l’efficacité atteint ici 3,4 même si le gain de traînée n’est que de 0,62%. On remarque que la vitesse d’aspiration optimale est toujours de 0,5 V0.

 

-        4mm sur 20%

 

Cas de figure

Trainée

Variation de trainée (%)

Gain de traînée (%)

Efficacité

Sans contrôle

156,8

0,00

0

 

Aspiration 0.5 Vo

156,24

-0,36

0,36

2,953

Aspiration 0.75 Vo

155,41

-0,89

0,89

2,172

 

            Ici, on se rend compte que la fente d’aspiration est trop petite. Le gain de traînée et l’efficacité du système sont plus faibles que pour la fente de longueur égale à 30% du montant.

 

-         Synthèse des solutions testées

Nous présentons tout d’abord un graphe mettant en évidence les pourcentages de réduction de traînée pour toutes les configurations testées. On constate bien sûr que plus la surface d’aspiration est grande, plus les gains de traînée sont importants. En revanche, ce qui est intéressant et moins évident, c’est que pour des vitesses d’aspiration entre 0.5 et 0.75 Vo, les pourcentages de réduction de traînée sont assez comparables même pour les systèmes à très petites surfaces d’aspiration. Cela explique pourquoi ces derniers sont plus efficaces.

            On peut tirer plusieurs enseignements de ce graphique :

-Les fentes de longueur égale à 45% et 93% du montant ont une assez bonne efficacité (de l’ordre de 2). Les gains de traînée sont alors très intéressant puisque l’on obtient une réduction de traînée de 3% avec ce seul système. Couplé à d’autres systèmes de contrôle, ce système de contrôle actif peut réduire significativement la consommation et donc les émissions polluantes du véhicule.

 
-Les fentes de longueur plus petites offrent d’excellents rendements : l’efficacité maximale peut atteindre 3,5. Cependant la réduction de traînée engendre des réductions de traînée qui ne sont que de l’ordre de 1%.

 
-Les courbes de rendement montrent que l’efficacité maximale est atteinte pour des fentes de longueur égale à 30% de la longueur du montant du véhicule.


3°) Conclusion et choix de la pompe

 

- Le premier constat est qu’il vaut mieux ne pas aspirer trop fort puisque, même si cela permet d’obtenir de fortes réductions de traînée, cela est trop coûteux au niveau de la puissance d’aspiration. Il serait donc à priori nécessaire (à moins de disposer d’une pompe miracle) de se limiter à des vitesses d’aspiration entre 0.5 et 0.75 Vo.

- Le deuxième constat est qu’il n’est pas forcément nécessaire de couvrir toute la longueur du pare-brise pour disposer d’un contrôle actif efficace. Le gain en traînée n’est pas forcément détérioré et les économies en terme de débit de pompe peuvent être très importants.

La solution proposant une fente de 4mm sur 30% du montant offre la meilleure efficacité. Cependant, nous émettons quelques doutes quand à l’intérêt d’une si petite surface d’aspiration. En effet, les réductions de traînée engendrées sont plutôt faibles.

De leurs cotés, les fentes de grandes longueurs offrent une efficacité plus faible mais les réductions de traînée engendrées sont déjà plus intéressantes. Il faudrait donc disposer d’une pompe capable d’aspirer beaucoup avec un faible besoin en alimentation.

Nous sommes ici face à un compromis entre efficacité et gain de traînée. La faisabilité du système et les pompes disponibles sur le marché sont des facteurs qui vont jouer dans la décision des industriels.

Pour que le système soit rentable, il faut choisir une pompe qui soit capable d’aspirer au débit souhaité pour un surpoids et un coût énergétique les plus faible possibles. Aussi, pour choisir la pompe, il est nécessaire de connaître les débits d’aspiration (m^3/h) correspondant aux différentes configurations :

 

Configuration / vitesse aspi

0,5

0,75

1

2

fentes 93% 4 mm

428,01

642,01

856,02

1712,03

fentes 46% 4 mm

211,70

317,55

423,41

846,81

fentes 93% 8 mm

856,02

1284,02

1712,03

3424,07

fentes 30% 4 mm

138,07

207,10

276,13

552,27

fentes 20% 4 mm

92,04

138,07

184,09

368,18

Débits nécessaires en m^3/h


            On s’aperçoit alors que certaines configurations demandent des débits bien trop importants pour être réalisables en pratique (au-delà de 500 m^3/h). Il faut plutôt se rabattre sur des solutions ne nécessitant qu’un débit maximal de 200 m^3/h. A titre d’exemple sur les pompes actuellement disponibles sur le marché, on fournit le tableau suivant :

L’objectif est donc d’obtenir un gain de puissance par réduction de traînée () qui soit supérieur à la demande énergétique de la pompe.

Si l’on prend par exemple la configuration fentes 30% 4 mm à aspiration 0.5 Vo, le débit nécessaire est de 138 m^3/h. Le gain de traînée est de 0.62%, ce qui correspond à un gain de puissance de 170 W. Or la pompe nécessaire pour ce système serait par exemple la Y-011V qui demande 900 W en alimentation. 

Avec de telles pompes, le système n’est donc malheureusement pas rentable (d’autant que la pompe implique en plus un surpoids). Il a été difficile de trouver sur Internet des constructeurs de pompes donnant avec précision des renseignements complets sur leurs produits. Cela nous aurait été utile afin de trouver des pompes plus performantes ou tout du moins plus adaptées au milieu automobile.

En conclusion, ce type de contrôle est très prometteur car il permet des baisses de traînée et donc de consommation qui peuvent être très importantes. Cependant, il semble nécessaire de développer des pompes adaptées au monde de l’Automobile (légèreté, performance, faible coût énergétique…) afin de pouvoir rendre ce système vraiment rentable. Ces développements pourraient être menés grâce à la collaboration entre les constructeurs automobiles et les fabricants de pompe afin de créer un produit capable de disposer du débit d’aspiration nécessaire sans être trop coûteuse en terme de puissance requise.