Introduction et explication du contexte industriel

Le moteur à piston fait toujours l'objet d'une optimisation depuis sa création. Peu après sa découverte les ingénieurs motoristes et inventeurs étaient à la quête de plus de puissance. Mais après le crash pétrolier de 1973, les constructeurs étaient obligés de réduire la consommation des GMP (groupe motopropulseur), ainsi, la notion d’économie de carburant est rentrée dans la boucle de conception et de production. Courant les années 90, la notion de pollution et d'écologie se sont démocratisées. L'une des raisons du réchauffement climatique sont les émissions polluantes causées par le transport routier. Des normes sur les émissions ont vu le jour progressivement à travers le monde, en commençant par l'europe avec l'EURO 0 qui définit des limitations en termes d'oxydes d'azotes NOx et des particules PM.

Aujourd'hui, les exigences des clients sont plus contraignantes, les constructeurs sont donc tenus à respecter des normes de plus en plus strictes. Le challenge actuel des constructeurs est de réaliser des GMP moins polluants, plus puissants, moins bruyants, et moins consommateurs de carburant. Pour ce faire, l’optimisation est le maitre mot, en passant par l’amélioration d’un point de vue NVH (Noise and Vibration Harness) ou encore par les systèmes d'injection intelligents, combustion à mélange pauvre, et d’autres solutions innovantes.

L'injection du carburant est une voie d'optimisation très prometteuse, qui conditionne les performances, la consommation, la quantités de polluants, et la qualité de la combustion. C'est pour ces multiples avantages que les constructeurs et équipementiers automobiles doublent leurs efforts pour maîtriser l'injection et permettre un contrôle efficient des caractéristiques d'un moteur à piston. 

L'injection indirect a longuement été utilisé, et équipe toujours certains véhicules. Le principe de fonctionnement de cette technologie est gouverné par une pièce maîtresse appelé carburateur qui a pour fonction de pré-mélanger l'air au carburant tout en respectant le ratio A/F(air/carburant) stoechiométrique 14.7:1. Ce ratio garantissant une combustion idéale est défini par la réaction chimique de combustion du carburant. Le carburateur doit par ailleurs assurer un bon mélange pour n'importe quel régime moteur et charge, pour ce faire, il est associé à une vanne papillon qui gère la quantité d'air admise. Le mélange ainsi préparé est acheminé via des conduits et collecteur d'admission aux cylindres. L'un des inconvénients de ce type d'injection réside  dans la précision du dosage air/carburant, à cause du dépôt de gouttes de carburant sur les conduites ce qui créent des films liquides sur les parois et réduit la quantité de carburant réellement admise et donc brûlée, en plus des pertes de charges induites par la vanne papillon. 

L'injection direct est la solution. Elle consiste en l'injection du carburant directement dans la chambre de combustion généralement lors de la phase d'admission, on peut donc éliminer le carburateur et les inconvénients évoqués ci-dessus. Le spray de carburant est mélangé à l'air pendant l'admission et la compression, le mélange est homogénéisé grâce à l'aérodynamique du moteur. On parle alors de swirl (rotation des gaz d'admission selon l'axe du cylindre) ou de tumble (rotation des gaz d'admission selon l'axe perpendiculaire à celui de révolution). Ce type d'injection permet, d'une part, un meilleur contrôle du mélange air/carburant et, d'autre part, de prévoir des stratégies d'injections optimales, et des modes de combustion différents. Elle est donc associée à un calculateur ECU (engine control unit) indépendant qui gére exclusivement et  en continu l'injection, ce module de contrôle prend en compte plusieurs paramètres notamment: le régime, la charge, la température des gaz d'échappement, la concentration des NOx, position du vilebrequin. Cela offre un monitoring en permanence des caractéristiques du moteur. Cette liberté permet ainsi une réduction de consommation, un gain en puissance, un meilleur rendement du moteur, et une réduction relatives des émissions. Néanmoins, elle présente - entre autres - l'inconvénient de générer beaucoup de particules dans certains cas (démarrages, accélérations). Parmi les raisons identifiées, il y a la combustion d'un mélange air/carburant localement très riche (donc mauvais), due à la formation de films liquides qui retardent la vaporisation du carburant, créés par l'impact des sprays de carburant sur le piston et/ou la culasse. L'idée est donc de réduire au maximum de temps de vaporisation de ce film en jouant sur plusieurs paramètres.

Dans le cadre ce projet, nous traitons l'injection direct pour un moteur essence.

Objectif:

Le but de notre étude, est de caractériser la température de surface du piston en régime transitoire qui est la condition limite critique pour quantifier le temps de vaporisation du film liquide. On étudiera aussi l'impact du spray de carburant sur cette température, cycle après cycle, ce qui introduira une notion de "mémoire" thermique du piston. Nous avons étudié l'ensemble des phénomènes physiques qui rentrent en compétition, nous les avons modélisés et élaborés un code "Matlab" qui permet à l'utilisateur de changer les paramètres d'entrée (régime moteur, charge, géométrie, SOI (Start Of Injection), durée d'injection, etc) et voir leurs influences sur la température de surface du piston.