Introduction

La mission

La société Synerject a souhait que le groupe élabore un outil de prévision fiable du débit de boîtier papillon sur toute sa plage d'ouverture, pour les faibles angles d’ouverture (cas prioritaire), et pour l'ouverture maximale. Pour ce faire on doit, tout d’abord, développer / améliorer le modèle existant. Après identifier le type de modèle de calcul / outil adapté au cas du boîtier papillon et construire un modèle avec l’outil identifié. Ensuite, recaler le modèle de simulation avec des mesures effectuées sur le banc de débit Synerject. Il serait nécessaire aussi identifier et hiérarchiser les paramètres contributeurs du débit.

Remarque : Dans la phase de recherche de type de modèle et d’outil, il convient de considérer la possibilité d’intégrer le modèle dans AMESim, dans une démarche de modélisation de systèmes de contrôle moteur.

Le contexte

Synerject est une filiale du groupe Continental. Elle est spécialisée dans les systèmes de contrôle moteur pour des moteurs à essence non-automobiles : scooters, moto, quads, moto neiges, jet skis, tondeuses, etc., et l’équipe de Recherche et Développement des systèmes est basée à Toulouse. Afin de couvrir tous les aspects fonctionnels d’un système, Synerject est amené à concevoir ses propres boîtiers papillon.

La fonction du boîtier papillon est d’alimenter le moteur à essence injecté avec une quantité d’air donnée. La quantité d’air dépend de l’ouverture du papillon et de la dépression générée par le fonctionnement du moteur. Il est dimensionné avec un débit d'air minimum (passage ralenti ou de fuite) et un débit maximum (puissance). Il faut traduire la demande du client/système en un cahier des charges pour définir le boîtier et quantifier ses performances. Le débit maximum est, en première analyse, souvent associé à un diamètre de passage. 

 

 

 

 

 

 

 

Figure 1: Schéma du trajet de l'air et la position du boîtier papillon. Source : Matériel Synerject 

 

Pour la conception de boîtiers papillon, il faut dimensionner quelques paramètres, comme la section de passage minimale, loi débit (que dépend d’angle du papillon), section de passage maximale, etc. Est nécessaire aussi identifier les moyens spécifiques pour le contrôle du débit ralenti et de moyens spécifiques d’équilibrage / synchronisation entre plusieurs conduits (boîtiers multi-papillon). Le débit d’air est contrôlé à l’entrée d’un moteur, selon la consigne du conducteur. Deux types de boîtiers sont envisages : Le papillon mécanique (rotation de la poignée entraînant une traction du câble sur le levier d’ouverture du boîtier papillon) et le papillon électrique (demande de couple à partir de la lecture de l’angle de rotation de la poignée).

Pour ce faire, Synerject a besoin d’un modèle de calcul de débit. Ils s’équipe d’un banc de mesure de débit en 2014 afin de pouvoir réaliser des mesures de débit sur des composants issus de production, faire l’analyse de produits concurrents et travailler sur les activités de développement (optimisation de design, recherche de solutions, corrélation/validation modèles).

Problème

Synerject a construit un modèle de calcul de débit en 2014. Il permettre de relier les dimensions du boîtier papillon et l’angle d’ouverture, afin de pouvoir prédire le débit d’air que entre dans les chambres de combustion du moteur. Malheureusement, le modèle n’est pas recalé avec la performance réelle. Il y a un écart significatif avec les mesures de débit en faible ouverture papillon, donc le modèle nécessite des améliorations pour pouvoir faire de la prédiction.

Sur quelques mesures véhicule il a déjà été observé une forte différence (calcul optimiste de 50 à 70%) entre la mesure et le calcul, pour les faibles angles de papillon (<5°), donc il n’y a pas encore de prédictions fiables. 

Qu’est-ce que c’est un boîtier papillon ?

Pendant le fonctionnement d’un moteur quatre temps, nous avons les phases d’admission, compression, combustion et d’échappement. Pour la première phase, on a l’ouverture de la (des) soupape(s) d'admission et le mouvement descente du piston, ce dernier aspire le mélange air-essence dans la chambre de combustion à une pression de 50 à 400 mbars (moteur non-suralimentés dits "atmosphériques") à 2500 mbars environ pour un moteur suralimenté d'automobile de série (exprimé en pression absolue), et c’est cette différence de pression qui permettra de créer un flux d'air dans la chambre de combustion.

En revanche, si on augmente la perte de charge entre la chambre de combustion et l’atmosphère, nous pouvons régler la quantité d’air qui va être aspiré, et donc la puissance du moteur.   Pour ce faire, on utilise une vanne qui va restreindre le débit d’air qu’est aspiré par le moteur, et ce composant est connu comme papillon.

La vanne plus commune est du type papillon et il est utilisé dans la quasi-totalité de la production mondiale de véhicules automobiles et non-automobiles.  La vanne est esquissée dans la figure ci-dessus :

 

 

 

 

 

 

 

 

Figure 2: Illustration d'un boîtier papillon en 2D et 3D

Une information importante que nous devrions prendre en compte est l’angle de repos de la vanne. En fait le papillon n’est pas un cylindre avec une hauteur définie, il a un angle de 6° obtenu par usinage. Dans la figure ci-dessus, le papillon est fermé au maximum, et visuellement il a un angle proche de 6°, donc il touche l'alésage en "haut" et en "bas". 

Figure 3: Schéma 2D avec l'angle de repos α et l'angle d'ouverture Γ.

L’angle de repos a été définit comme α, l’angle d’ouverture Γ, l’épaisseur e et le diamètre du corps D.