Modélisation système appliquée à l'optimisation énergétique des ...

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Modélisation système appliquée à l'optimisation énergétique des ...

SFT 30 mars 2006

MODELISATION SYSTEME APPLIQUEE

A L’OPTIMISATION ENERGETIQUE

DES MOTEURS THERMIQUES

Laboratoire d’Etudes Thermiques UMR CNRS 6608

Equipe Analyse Système et Optimisation

ENSMA Futuroscope

A.Alexandre, Y. Bertin, P. Lagonotte, jean-marie.petit@ensma.fr,

djamel.karmed@lcd.ensma.fr

PSA : Ludovic Tomaselli, Nawal Jaljal

TSR Poitiers (Thermic Simulation Recherche)


Plan de l’exposé

Contexte d’optimisation

Travaux du laboratoire

Architecture de l’outil numérique et couplage des modèles

Modélisation thermique nodale du système et optimisation

énergétique du moteur

Modélisation thermodynamique de la combustion et exemples

de résultats

Conclusion


Contexte d’optimisation

Mots clés :

consommation – émissions

Réf : Fuel cell review

06/2004


Contexte d’optimisation

Électronique

de Puissance

Moteur

thermique

Machine

Électrique

Batterie

Forte interaction des organes

Ligne

d ’échappement

Organes moteur

thermique (turbo,

EGR, RAS)

Circuit(s) de

refroidissement

GMP hybride

Boîte de

vitesses

Refroidissement

habitacle

Chauffage

habitacle


Travaux du LET ENSMA

Thèses :

1997 : S. Ravary (modèle F8Q Renault)

2000 : L. Tomaselli (modèle DW10ATED PSA)

2004 : C. Rouaud (CIFRE Renault)*

2005 : N. Dollinger (CIFRE PSA)*

200x : N. Jaljal (CIFRE PSA)*

…/…

* Confidentialité des travaux


Architecture de l’outil numérique pour le moteur thermique

Données

d’entrées

Régime

Régime, Couple

p, T admission

Modèles

Puissance aux parois

Puissance de frottement

Modèle d’architecture

thermique GMP

Modèle thermodynamique

de combustion

•architecture culasse

•architecture carter

•architecture piston

•circuit de refroidissement

•circuit de lubrification

T° parois chambre

de combustion

•Combustion (loi de Wiebe)

•puissance mécanique

•puissance aux parois

•puissance à l’échappement

•puissance de frottement

Données

de sorties

Champs de températures

Flux thermiques, Débits

Consommation

(Emissions)


Couplage des modèles

Problème :

Constantes de temps entre les phénomènes

Thermique Seconde

Hypothèse

Combustion °Vilebrequin

∂ T

Invariance de la température de paroi durant le cycle p

= 0

∂ θ

Schéma logiciel

ESACAP

(thermique)

Fonction

FORTRAN

(combustion)


Description du moteur thermique

Frottements distribution

Flux aux parois

(Combustion, Woschni)

Frottements

Piston/Segment/Chemise

Frottements vilebrequin

1) Décomposition nodale

masses métalliques

eau

huile

gaz

air sous capot

+

2) Sources de chaleur

+

3) Conductances entre les nœuds

Convection

Conduction

Rayonnement

Transport (fluide)

Températures et flux : eau, huile, …

Modèle exploité pour l’étude de la montée en température du moteur sur véhicule


Méthode nodale

Analogie Électrique Thermique

Potentiel

Ci dTi/dt = ΣGij (Tj – Ti) + Φi Intensité

Capacité

Température

Flux thermique

Capacité calorifique

Nature de l’échange Expression du flux Expression de la conductance

Conduction

Rayonnement

(direct entre corps gris)

φ

S

( )

cd ij

ij T −

i T

L ij

= λ

j

r

φ = ε ε σ S F ( T )

4 −

( j4

r

2 2

= ε ε σ + )( )

ij i j i ij i T

G

cd

ij

=

λ

L

S

ij

ij

G +

ij i j S i F ij T i T j T i T

j

cv

Convection =h S ( T − )

G cv

ij

=h S

φ

ij ij i T j

ij

f

Écoulement de fluide = •

m c ( T − )

φ

ij i T j

G f


=

ij m c


Modèle d’architecture : Principe

Chambre de

combustion

Chemise Extérieur bloc


G Ci Ce

B Ext

G

E

Ci

Ce

Sous-capot

E

B

Cv

Ra

Cd Cv Cv Cv

Ra

Noyau d’eau

Cv Convection

Cd Conduction

Ra Rayonnement

Ext

Ci Ce

E

B

Ext

Les différentes conductances sont calculées

sur la base de corrélations semi-empiriques,

empiriques ou analytiques

Conductance

de conduction

Conductance

de convection

Conductance

de rayonnement

Conductance

fluide

Source de flux

Potentiel de

température

Capacité

calorifique


Modèle d’architecture : Discrétisation

Carter- cylindre

1 2345

6

7

8

9

La discrétisation géométrique prend en compte:

- les cotes géométriques principales

- raffinement dans les zones de fort gradient

- respect des surfaces d’échanges et des masses

1

2

3

12 4

11

10

5

6

9 7

8


Modèle d’architecture : Discrétisation

Culasse

Complexité géométrique du noyau d’eau

Admission Échappement

6

5

4

3

2

1


Modèle d’architecture : Traitement de l’hydraulique interne

Maillage 3D du noyau d’eau

sous FIRE® 400.000 mailles


Modèle d’architecture : Circuit de refroidissement

BSE

Branche Aérotherme

Modèle hydraulique

Branche Ech. E/H

Aérotherme

Moteur

Branche By-Pass

Th

Branche Radiateur

CEE

Pompe

Pompe

Moteur

B

S

E

Thermostat

Thermostat

Boîte de dégazage

Mise en charge

Ech. Eau/huile

Boîte

de

Dégazage

BSE

Aérotherme

Ech. E/H

Radiateur

Moteur

Radiateur

Modèle thermique

Branche Retour


Exemple de validation

des résultats

90

80

70

T°eau_num

T°eau_exp

60

50

Tem pérature (°C)

40

30

20

0 200 400 600 800 1000 1200

Temps (s)

Aspect transitoire

(démarrage à froid : montée en température du moteur)

A B

C

D

E F

205°C/203°C

220°C/222°C

235°C/228°C

182°C/186°C

204°C/208°C

thermométrie numérique

(température parois chambre)


Optimisation du système

Aérotherme

CEE

Pompe

Moteur

EVP by- pass

P

Ech. Eau/huile

B

S

E

Thermostat piloté

EV dégazage

GMV à vitesse variable

Boîte

de

Dégazage

Radiateur

Actions envisagées :

Contrôle du débit d’eau

Contrôle du volume d’eau

Contrôle de la température d’eau

Evolution tehnologique du circuit :

- 1 Électrovanne proportionnelle by-pass

pour le contrôle du débit interne moteur

- 1 Électrovanne on/off de dégazage

pour le contrôle du volume d’eau en

transitoire

- 1 thermostat piloté et 1 GMV à vitesse

variable pour le contrôle de la

température d ’eau


Mesure des performances et homologation

Évolutions des paramètres thermiques (sortie moteur)

100

90

+10°C

80

70

60

50

+9°C/min

Température (°C)

+6°C/min

-30%

Référence

S2RE

Cycle normalisé ECE&EUDC

40

30

20

0 200 400 600 800 1000 1200

Temps (s)

Réduction de 30% de la phase de montée en température du moteur


Mesure des performances et homologation

Consommation

Sur cycle ECE&EUDC

Consommation (l/100km)

1 ECE 234 ECE EUDC Mixte

Référence 9,63 7,90 4,83 6,13

Evolution 9,13 7,56 4,67 5,89

Ecart /Référence (%) -5,19 -4,30 -3,31 -3,92


Mesure des performances et homologation

Émissions polluantes

CO (en g/km)

1 ECE 234 ECE EUDC Mixte

Référence 2,243 1,072 0,030 0,519

Evolution 1,930 0,767 0,025 0,403

Ecart /Référence (%) -14,0 -28,4 -19,3 -22,4

HC (en g/km)

1 ECE 234 ECE EUDC Mixte

Référence 0,169 0,113 0,014 0,055

Evolution 0,134 0,076 0,009 0,039

Ecart /Référence (%) -20,5 -32,5 -34,0 -29,1

NOx (en g/km)

1 ECE 234 ECE EUDC Mixte

Référence 0,992 0,703 0,578 0,647

Evolution 1,080 0,742 0,628 0,698

Ecart /Référence (%) +8,9 +5,5 +8,6 +7,9


Mesure des performances et homologation

Impact sur l’habitacle

Montée en température

habitacle plus rapide

(gain de plusieurs minutes

pour atteindre 20°C


Modélisation thermodynamique de la combustion

Modèle à 1 zone :

loi de Wiebe

prédictif

φ

comb


comb

dx

b

m

carb

PCI

dt

Modèle multizones :

combustion par « tranches »

optimisation des paramètres moteur (Richesse, AA, …)

prédiction des émissions


Modèle de combustion par tranches : hypothèses

Le volume de la chambre de combustion est divisé en tranches

Il n’y a aucun transfert de masse ou de chaleur entre les différentes

tranches.

A chaque instant, la pression est uniforme dans la chambre.

Les gaz sont supposés parfaits.

Corrélation de Woschni pour les transferts aux parois.

Les tranches brûlent successivement à pression constante.

l’ensemble des gaz est comprimé isentropiquement jusqu’au nouveau

volume.


Principe du modèle

Tranche de gaz frais qui va brûler

Gaz

brûlés

Gaz frais

Combustion de

cette tranche à

pression

constante

Recompression (ou détente ) de

l’ensemble jusqu’au nouveau

volume


Formulation


Calcul de la pression

Après recompression (ou détente) des gaz jusqu’au nouveau

volume de la chambre, la pression est calculée à l’aide de

l’équation :

AY


1

γ f

+ BY

1

γ b

− 1 = 0

Y

A

B

=

=

=

p

V

V

i

p


i

1

ch , i −

V

ch , i

ch , i −

V

ch , i

1

1





j

X

ad

,

i

+

N

∑ X

= i + 1

i −

i

∑ − =

j

1,

1

1

j

X

i


1,

j





Organigramme du programme

Lecture des données

(Caractéristiques géométriques du moteur et

données thermodynamiques)

Admission

Compression

Combustion

Détente

Echappement

- Calcul de la composition à l’équilibre à

Pression et T fixeés

- Combustion isenthalpique d’une tranche

(Température et composition à

l’équilibre)

- Recompression des gaz jusqu’au volume

physique de la chambre (calcul de la

pression)

Calcul travail du cycle et

impression des résultats


Exemple d’application à l’hydrogène

Influence du carburant (C 8

H 18

, CH 4

, H 2

) Pad=0.9bar, AA=10°, φ=1

70

60

50

40

30

C8H18

CH4

H2

20

10

180 225 270 315 360 405 450 495 540

θ (°)

0

P(bar)

2

1,6

1,2

0,8

0,4

0

0,4 0,6

φ

0,8 1

NO

H2

OH

H

fraction molaire (%)

O

Pad = 0.9bar, AA=30°

RPM=3000

Hydrogène : composition des gaz brûlés


Conclusion

Présentation générale d’une approche de modélisation système

(couplage thermique et combustion) appliquée à l’optimisation

énergétique des moteurs thermiques.

Validation du module thermodynamique de combustion « multizones »

en cours.

Orientation des études :

GMP hybride

alternatives énergétiques (H 2

)

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