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Ministère de l'Enseignement Supérieur et
de la Recherche Scientifique
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ÉCOLE SUPERIEURE DE TECHNOLOGIES
INDUSTRIELLES
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Année / 2020
|
DEPARTEMENT DU SECOND
CYCLE
FILIÈRE
GENIE MECANIQUE
MEMOIRE
Présenté en vue de l'obtention du diplôme
de Master
Analyse de transfert de chaleur dans un piston d'un
moteur à combustion interne
Spécialité
Énergétique
Par
Kriter Yahia
Sous la direction de : Grade Établissement
d'affiliation
Mallem Nassima MCB ESTI Annaba
Devant le jury
Président :
Azouz Salaheddine Pr. ESTI Annaba
Examinateurs
:
Niou Slimane MCB ESTI Annaba
Boudinar Nouam MCB ESTI Annaba
Remerciements
Remerciements
En guise de reconnaissance, je tiens à témoigner
mes sincères
remerciements à toutes les personnes qui ont
contribués de
près ou de loin au bon déroulement de mon stage
de fin
d'étude et à l'élaboration de ce modeste
travail.
Mes sincères gratitudes à Mme.Nassima Mallem
pour la
qualité de son enseignement, ses conseils et son
intérêt
incontestable qu'elle porte à tous les
étudiants.
Je remercie mes très chers parents et tous les
professeurs,
intervenants et toutes les personnes qui par leurs paroles,
leurs
écrits, leurs conseils et leurs critiques ont
guidé mes réflexions
et ont accepté de me rencontrer et de répondre
à mes questions
durant mes recherches.
À tous ces intervenants, je présente mes
remerciements, mon
respect et ma gratitude.
Résumé
Résumé:
Dans un moteur à combustion interne, le piston est un des
parties principales du cycle de combustion. Dans le processus d'augmentation de
l'efficacité et de la puissance du moteur, thermique et les charges
statiques sur le piston augmentent, ce qui garantit la fiabilité
problèmes et panne du composant avant l'achèvement de son cycle
de vie. Les pistons doivent être légers pour ne pas doivent
utiliser beaucoup de contrepoids sur le vilebrequin pour équilibrer et
ainsi de suite, maintenez le poids du moteur au minimum. En outre, un plus
lourd le piston générera beaucoup plus de vibrations qu'un piston
plus léger. Un autre facteur à prendre en compte est la
dilatation thermique du matériau, car pour améliorer
l'efficacité, l'espace de tolérance entre la paroi du cylindre et
le piston doit être minimal. Mais à en même temps, nous
devons nous assurer que le piston est thermiquement solide et suffisamment
solide pour supporter les charges.
Abstract:
In an internal combustion engine, the piston is a major part of
the combustion cycle. In the process of increasing the efficiency and power of
the engine, thermal and static loads on the piston increase, which guarantees
the reliability problems and failure of the component before the completion of
its life cycle. Pistons should be light so that they don't have to use a lot of
counterweight on the crankshaft to balance and so on, keep engine weight to a
minimum. Also, a heavier piston will generate much more vibration than a
lighter piston. Another factor to take into account is the thermal expansion of
the material, because to improve efficiency, the tolerance space between the
cylinder wall and the piston must be minimal. But at the same time, we have to
make sure that the piston is thermally strong and strong enough to withstand
the loads.
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Liste Des Figures
Liste Des Figures
Figure I.1 : schéma de l'ensemble
cylindre-piston-culasse
Figure I.2 : Le piston
Figure I.3 Présentation des forces dues
à la pression des gaz
Figure I.4 Représentation de l'échange
thermique par convection
Figure I.5 Grippage par surchauffe (concentré
sur la tête du piston)
Figure I.6 Traces de chocs
Figure I.7 Fusions
Figure I.8 Marquage asymétrique du
piston
Figure II.1 Point mort haut et point mort bas du
piston
Figure II.2 Le modèle du piston réalise
avec SOLIDWORKS
II.5.3 Les dimensions du piston réalisé
Figure II.4 Le modèle du piston importé
sur COMSOL Muliphysics
Figure II.5 Maillage
Figure II.6 La température dans la surface du
piston
Figure II.7 Les isothermes sur la surface du
piston
Liste Des Tableaux
Liste Des Tableaux
Tableau II.1 Résultats obtenus
Tableau II.3 Contenu matériel de d'alliage
d'aluminium 6061
Sommaire
Sommaire
Remerciement I
Liste Des Figures II
Liste Des Tableaux III
Résumé IV
Introduction générale 1
CHAPITER I Etude bibliographique
I.1Description générale d'un moteur
à pistons 2
I.2Le piston 2
I.2.1. Composants du piston 2
I.2.2. Materiaux utilisé dans la fabrication
des pistons 4
I.2.3. Fonction du piston 5
I.3. Les Charges appliquées sur le piston
6
I.3.1. Pression des gaz 6
I.3.2. Températures 7
I.3.3. Contraintes thermiques 7
I.4. Dommages des pistons et leurs causes
8
I.4.1. Dommages de la tête de piston
8
I.4.2. Dommages au niveau de la jupe du piston
10
I.5. Généralités sur le
transfert de chaleur : 11
I.5.1 Introduction 11
I.5.2 Définitions 11
I.5.3 Modes de transfert de chaleur 12
I.5.4 Stockage d'enrgie 13
I.5.5 Génération d'énergie
13
Sommaire
CHAPITRE II Simulation thermomécanique du
piston
II.1. Le logiciel COMSOL Multiphysics 16
II.1.1. Introduction 16
II.1.2.Création d'une géométrie
pour l'analyse 17
II.1.3 Les matériaux 18
II.1.4. L'interface de transfert de chaleur
18
II.2. Le logiciel SOLIDWORKS : 19
II.2.1 Les advantages du logiciel SOLIDWORKS
19
II.3. Etude de transfertde chaleur dans un piston moteur
: (Exemple d'un article scientifique) 20
II.3.1. Les résultats obtenus 20
II.3.2. Définitions 21
II.4.Exemple d'une étude des déformations
d'un piston par simulation 22
II.4.1. Résultats obtenus 22
II.4.2. La conclusion du travail 23
II.5. Etude de transfert de chaleur en régime
stationnaire 23
II.5.1. Réalisation du model de piston avec
SolidWorks : 24
II.5.2. Importation du modele de pisto en COMSOL
Mulitiphysics 26
II.5.3. Maillage 26
II.5.4. Résultats obtenus 27
II.5.5. Discussions des résultats 27
Conclusion 28
Références bibliographiques Conclusion
29
1
Introduction générale
Introduction générale :
Le piston est une des pièces les plus chargées du
moteur, il a pour fonction de transmettre l'énergie mécanique au
vilebrequin via la bielle. Il est muni de trois segments qui lui permettent
d'assurer l'étanchéité aux gaz de combustion. Le piston
est l'une des parties les plus importantes dans un moteur pour cela ma
connaissance de la répartition de la température dans le piston
et la chemise d'un moteur à essence est d'une immense utilité
pour le concepteur pour calculer la résistance à la fatigue, les
contraintes thermiques et de mieux sélectionner le meilleur
matériel de construction du piston. Ainsi, ce travail se concentrera sur
la distribution de température et le taux de transfert de chaleur qui
sont d'une grande importance en particulier dans les moteurs . En raison des
difficultés pratiques liées à la mesure de la
température et des taux de transfert de chaleur à
différents endroits du piston et de la chemise, il est nécessaire
d'adopter des méthodes analytiques et numériques pour
évaluer les taux de transfert de chaleur à travers le piston et
la chemise dans des conditions variables du moteur.
Le manuscrit est structuré en deux chapitres. Le premier
donne une vue d'ensembles des déferrent parties qui forment le piston
ainsi les déformations qui peuvent avoir lieu au niveau de chaque partie
et leurs causes, aussi on va présenté des
généralités sue le transfert de chaleur. Le second
chapitre est consacré à donner une vue général sur
les logiciels COMSOL Multiphysicc et SOLIDWORKS, aussi la présentation
de certains articles scientifique intéressent qui contient des
études de transfert de chaleur et les déformations sur un
modèle de piston d'un moteur à combustion interne avec une
conclusion des résultats obtenus dans ces études. Enfin une
réalisation d'une étude de transfert de chaleur dans un piston en
régime stationnaire avec présentation des principales
étapes suivis et des résultats.
CHAPITER I Etude bibliographique
CHAPITER I
Etude bibliographique
CHAPITER I Etude bibliographique
2
I.1. Description générale d'un moteur
à pistons :
Un moteur à piston est constitué, d'un bloc qui
comprend un cylindre dans lequel se déplace un piston relié
à un vilebrequin par une bielle. Le mouvement du piston s'effectue entre
deux positions extrêmes appelées point mort haut (PMH) et point
mort bas (PMB), correspondant respectivement au volume minimal et maximal du
milieu réactionnel (Figure 1.1).
Un moteur d'automobile, comprend toujours plusieurs cylindres :
1,2, 4, 5, 6, 8, ou 12 selon les modèles [1]. Le piston est
réalisé en alliage léger avec une tête plate,
bombée ou légèrement rentrante sous les soupapes et la
bougie. L'extrémité du piston débouche sur la chambre de
combustion, bordé par une paroi métallique fixe (fonte ou alliage
léger) dite culasse ; cette dernière peut présenter les
formes les plus diverses selon les critères recherché par le
constructeur dans la conception des chambres à combustion. Il existe,
notamment, des chambres plates hémisphériques, en toit, en
baignoire, creusée dans la tête du piston. Un joint
métalloplastique, dit joint de culasse, assure
l'étanchéité entre le bloc moteur et la chambre de
combustion.
L'énergie dégagée par la combustion,
engendre un mouvement rectiligne du piston, transformé en mouvement
rotatif en sortie de vilebrequin, par l'intermédiaire du système
bielle manivelle.
Figure I.1 : schéma de l'ensemble
cylindre-piston-culasse.
I.2. Le piston :
Le piston est l'organe qui, en se déplaçant dans
le cylindre ou la chemise, transmet la poussée des gaz au vilebrequin
par l'intermédiaire de la bielle. Il est en général
moulé dans un matériau léger et d'une bonne
conductivité thermique comme les alliages d'aluminium [2].
Le piston sert à comprimer les gaz en vue d'une explosion,
et qui après l'explosion transforme une énergie
CHAPITER I Etude bibliographique
3
thermique en énergie mécanique. Outre ces deux
rôles primordiaux, le piston à d'autres rôles aussi
importants pour le bon fonctionnement du moteur:
? aspirer le mélange de gaz dans la chambre de combustion
lors de sa descente. expulser les gaz brulés lors
de sa remontée.
? évacuer la chaleur crée par les explosions
répétées.
? assurer l'étanchéité entre la chambre de
combustion et le carter du vilebrequin rempli d'huile.
? résister à la très forte chaleur et aux
contraintes mécaniques.
Et enfin, être le plus léger possible pour diminuer
les masses en mouvement [3].
Figure I.2 : Le piston [4]
I.2.1. Composants du piston :
I.2.1.1. Tête de piston
Partie supérieure du piston.
Partie du piston sur laquelle agit la pression du fluide de
travail et qui porte tous les segments ou quelques-uns
d'entre eux composée du fond du piston et de la couronne
porte-segments [5].
I.2.1.1. a. Fond du piston
Surface du piston du côté de la chambre de
combustion [5].
Reçoit les efforts nés de la combustion. Son
épaisseur, inversement proportionnelle au module
d'élasticité du matériau, à la température
de fonctionnement, doit croître avec la pression maximale des gaz avec
l'alésage, pour que l'allongement n'atteigne la valeur A% du
matériau à la température du matériau
considérée. Le fond est
CHAPITER I Etude bibliographique
4
également la surface d'entrée des flux thermiques
qui traverseront le piston. Lorsque ce piston doit concourir à
l'établissement d'une turbulence du mélange (air+combustible), ce
qui est fréquent en diesel, sa surface n'est plus plate et devient plus
ou moins tourmentée. Il s'ensuit que le flux thermique
pénétrant dans le piston s'accroît puisque la surface
d'échange croît et le coefficient de transfert thermique
augmente.
I.2.1.1. b. La couronne porte-segments :
Partie de la surface latérale du piston comprise entre le
fond du piston et le bord inférieur de la gorge de segment de piston la
plus basse, et qui reçoit les segments de piston [5].
Dissipe une partie d'énergie calorifique qui entre par le
fond et assure l'étanchéité au gaz et à l'huile.
L'étanchéité aux gaz :
? assure la compression de l'air.
? limite les fuites de gaz de combustion (donc les pertes
d'énergie d'huile).
? évite que les gaz refoulant l'huile, ne provoquent le
dommage des segments, le grippage au niveau de la jupe et les fumées au
reniflard (évacuation des vapeurs présentes dans le carter
d'huile).
I.2.1.2. Jupe de piston :
Partie inférieure du piston qui assure son guidage, et qui
peut comporter ou pas des gorges de segments de piston.
Dans le cas des moteurs à deux temps, la jupe de piston
couvre les orifices de transfert du fluide de travail pendant
une partie de la course [5].
I.2.1.3. Logement d'axe (trou d'axe) :
Ce logement et en particulier le raccordement des bossages au
fond, doivent posséder une rigidité conduisant à des
déformations aussi faibles que possible tout en
n'étant pas trop lourde. Il y a intérêt à situer ce
logement d'axe aussi
prés que possible du centre de gravité du piston
afin d'en diminuer le basculement.
I.2.2. Matériaux utilisés dans la fabrication
des pistons :
Les principales propriétés ayant une influence sur
le comportement des pistons sont les suivantes:
-La densité.
-Les propriétés mécaniques des
matériaux aux températures de fonctionnement.
-Conductivité thermique.
-Coefficient de dilatation.
-Qualités de frottement, de résistance à
l'usure.
Parmi les matériaux utilisés dans la fabrication du
piston, on cite:
I.2.2.a. Alliages d'aluminium
CHAPITER I Etude bibliographique
5
Les alliages d'aluminium au cuivre (2à10% de Cu) ductiles
et forgeables possèdent des caractéristiques
mécaniques importantes à froid mais qui se
dégradent rapidement à chaud. On préfère, en
conséquence les alliages au silicium (12% de Si) car :
- Ils se comportent moins mal à chaud.
-Ils possèdent un coefficient de dilatation moins
élevé (20.10-6 K-1).
-Ils offrent de meilleures qualités de frottement.
I.2.2.b. Acier
L'acier est le métal industriel possédant les
meilleures caractéristiques. Mais du fait de sa mauvaise
conductivité thermique, il ne peut être utilisé que dans
les cas de piston refroidi. [10]
I.2.2.c. Fonte
La fonte possède un faible allongement A% avant
l'apparition de fissure, ce qui l'handicape dans son emploi lorsque le moteur
est soumis à de fréquentes et brutales variations de
régime. Par ailleurs son gain de poids moins accusé que dans la
solution acier (E plus faible), incite à limiter son emploi au moteur
semi-lent. [10]
I.2.3. Fonction du piston :
Dans le cylindre d'un moteur, l'énergie liée au
carburant est convertie en chaleur et en pression pendant la course
d'expansion. Les valeurs de chaleur et de pression augmentent
considérablement en une courte période de temps. Le piston, en
tant que partie mobile de la chambre de combustion, a pour tâche de
convertir une partie de cette énergie libérée en travail
mécanique. La couronne de piston transfère les forces de
compression résultant de la combustion du mélange air-carburant
via le bossage d'axe de piston, l'axe de piston et la bielle, vers le
vilebrequin. [11]
I.2.3.1. Variété de tâches :
Les tâches les plus importantes que le piston doit
accomplir sont
n Transmission de puissance depuis et vers le gaz de travail;
n Délimitation variable de la chambre de travail
(cylindre);
n Obturation de la chambre de travail;
n Guidage linéaire de la bielle (moteurs à pistons
de coffre);
n Dissipation thermique;
n Soutien des échanges gazeux par admission et
échappement d'air (moteurs quatre temps);
n Support de la formation du mélange (au moyen d'une
forme appropriée de la surface du piston sur le côté
chambre de combustion);
n contrôle des échanges gazeux (dans les moteurs
à deux temps);
n Guidage des éléments
d'étanchéité (segments de piston);
n CHAPITER I Etude
bibliographique
6
Guidage de la bielle dans le sens longitudinal du vilebrequin
(pour bielles guidées par le haut).
À mesure que la puissance spécifique du moteur
augmente, les exigences relatives au piston augmentent
également. [11]
I.2.3.2. Exigences sur le piston :
Remplir différentes tâches telles que
n Adaptabilité aux conditions d'exploitation;
n Résistance au grippage et douceur de roulement
simultanée;
n Faible poids avec une stabilité de forme suffisante;
n Faible consommation d'huile;
n Faibles valeurs d'émissions de polluants; et
n Pertes par frottement les plus faibles possibles se traduisent
par des exigences en partie contradictoires, tant en termes de conception que
de matériaux.
Ces critères doivent être soigneusement
coordonnés pour chaque type de moteur. La solution optimale peut donc
être assez différente pour chaque cas individuel. [11]
I.3. Les Charges appliquées sur le piston :
I.3.1. Pression des gaz
Les gaz ont une plus grande turbulence et une pression
élevée, par conséquent, en pleine puissance, le transfert
du flux de chaleur (gaz-tête du piston) est plus important. Le piston est
aussi soumis à des sollicitations mécaniques dues à
l'action (Pz) de la pression des gaz de combustion sur la tête du piston,
et la réaction (Rz) de l'axe de piston comme la montre la figure 1.3
:
CHAPITER I Etude bibliographique
7
Figure I.3 Présentation des forces dues à
la pression des gaz [6]
I.3.2. Températures :
Le flux de chaleur à travers un une surface
élémentaire du piston est :
dQ =dS (T(en amont)) -T (en aval) h.dt
h : est le coefficient de transfert de chaleur par convection
(W/m2 .K)
dS l'élément de surface qui évacue le flux
de chaleur élémentaire dQ.
T(en amont): Température des gaz après
combustion.
T(en aval) : Température de la paroi de la tête de
piston, qui varie avec T des gaz résiduels, de la vitesse de rotation du
moteur N et, pour un régime donné du moteur en fonction de la
position de la surface élémentaire dS considérée
[7].
I.3.3. Contraintes thermiques:
Le gradient de température dans le corps du piston est
très élevé dans un laps de temps très court, avec
la répétition cyclique rapide, génère des
contraintes thermiques qui causent des déformations, qui, plus tard
impliquent la fissuration du piston. L'augmentation de la température
ÄO (supposée uniforme) sur la tête du piston va augmenter la
dilatation de son diamètre.
ÄD = á.D. ÄT
Avec á = 10.10-6 K-1 pour la fonte (moteur de
locomotive)
En conditions réelles d'exploitation, la différence
de température ÄO entre le centre et la périphérie de
la tête du piston varie jusqu'à 150 O C.
Cette analyse concerne toutes les surfaces qui constitues les
différentes parties du piston, qui sont soumises à un
échange de chaleur par convection h (Tparoi - Too), où Tparoi et
Too sont respectivement la température de la paroi de la surface en
question et la température du fluide de son entourage. Le flux de
chaleur résultant de la combustion est transféré par
convection à la tête du piston, ce qui fait augmenter sa
température par conduction, puis cédé à l'entourage
par convection à travers les segments, la jupe et le bossage interne.
CHAPITER I Etude bibliographique
8
Figure I.4 Représentation de l'échange
thermique par convection
Hg : Coefficient d'échange de chaleur par convection entre
la tête du piston et les gaz de combustion; (Tg> Tparoi), où Tg
est la température des gaz de combustion.
Hs : Coefficient d'échange de chaleur par convection entre
le film d'huile et les segments, (Tparoil> Th), où Th est la
température de l'huile.
hj: Coefficient d'échange de chaleur par convection entre
le film d'huile et l'extérieur de la jupe, (Tparoil> Th).
h', hi : Coefficients d'échange par convection
respectivement entre l'huile projeté et l'intérieur de la jupe,
et le bossage interne (Tparoil> Th).
Par conséquent, la pression, la haute température
et les contraintes thermiques, ajoutant à cela les
propriétés du matériau du piston, sont les
paramètres importants déterminant le bon fonctionnement du piston
[8].
I.4. Dommages des pistons et leurs causes :
I.4.1. Dommages de la tête de piston :
I.4.1.1. Grippage par surchauffe (concentré sur
la tête du piston) :
? Surchauffe due à des dysfonctionnements de combustion. ?
Gicleur d'huile déformé/bouché.
? Montage de mauvais pisto
·
CHAPITER I Etude bibliographique
Défauts dans le système de refroidissement.
· Réduction de jeu au niveau de la surface de
glissement supérieure [9].
Figure I.5 Grippage par surchauffe (concentré sur
la tête du piston)
I.4.1.2. Traces de chocs :
· Dépassement du piston trop important.
· Ré usinage excessif de la surface portante de la
culasse.
· Retrait de la soupape incorrect.
· Mauvais joint de culasse.
· Dépôts de calamine sur la tête du
piston.
· Jeu de soupape trop faible.
· Temps de commande incorrects suite à un mauvais
réglage ou à une courroie dentée qui a sauté
[9].
9
CHAPITER I Etude bibliographique
Figure I.6 Traces de chocs
I.4.1.3. Fusions :
· Mauvais injecteurs.
· Quantité d'injection incorrecte.
· Moment de l'injection incorrect.
· Compression insuffisante.
· Retard d'auto-allumage.
· Vibrations des conduites d'injection [9].
Figure I.7 Fusions
I.4.2. Dommages au niveau de la jupe du piston
10
CHAPITER I Etude bibliographique
11
Figure I.8 Marquage asymétrique du
piston
· Tige de bielle déformée/tordue.
· Alésage désaxé des yeux de
bielle.
· Alésage oblique du cylindre.
· Montage oblique de monocylindres uniques.
· Jeu du coussinet de bielle trop important [9].
I.5. Généralités sur le transfert
de chaleur :
I.5.1.Introduction :
La thermodynamique permet de prévoir la quantité
totale d'énergie qu'un système doit échanger avec
l'extérieur
pour passer d'un état d'équilibre à un
autre. On distingue habituellement deux types d'énergie :
· Le travail noté W qui peut prendre diverses formes
selon l'origine physique du transfert en jeu (électrique,
magnétique, mécanique )
· La chaleur notée Q. [10]
I.5.2.Définition :
· La chaleur :
La chaleur c'est une forme d'énergie, elle est
causée par l'agitation, au sein de la matière, des
molécules et des atomes. Donc " l'énergie thermique" ou bien la
chaleur est l'énergie associée au mouvement
désordonné des particules contenues dans une substance. [10]
· Le transfert de chaleur
CHAPITER I Etude bibliographique
12
Un transfert de chaleur qu'il convient d'appeler transfert
thermique ou transfert par chaleur est un transit d'énergie thermique
d'un système à un autre à cause d'une différence de
température.
Deux corps ayant la même température sont dits en
« équilibre thermique ». Si leur température est
différente, un transfert de chaleur se produit entre eux. Le
deuxième principe de la thermodynamique admet que la chaleur (ou
énergie thermique) ne peut passer que d'un corps chaud vers un corps
froid, c'est-à-dire d'un corps à température donnée
vers un autre à température plus basse. [12]
? Quantité de chaleur, flux de chaleur
:
La quantité de chaleur (notée : Q) est la chaleur
nécessaire pour porter la température d'un corps de la
température T1 à T2 (en K ou en °C). C'est aussi
l'énergie nécessaire pour effectuer un changement d'état
(exemple : passage de l'état liquide à l'état gazeux).
Note: il peut y avoir un changement d'état sans variation de
température. Le flux de chaleur ?
représente le débit de chaleur, c'est à dire
une quantité de chaleur transmise par unité de temps. Il a donc
la dimension d'une puissance et se mesure en watts (W) dans le système
SI.
Avec :
Ö=,??-??.
? Température :
Les particules qui composent la matière (molécules
ou atomes) ne sont jamais au repos. Elles sont en vibration permanente et
possèdent donc une certaine énergie cinétique. La
température est une mesure indirecte du degré d'agitation
microscopique des particules. Plus l'agitation est grande, plus la
température est élevée. Si l'agitation cesse, c'est le
zéro "absolu". [10]
I.5.3. Modes de transfert de chaleur:
Lorsque l'on met en présence deux corps de
températures différentes, ils échangent de
l'énergie sous forme de chaleur jusqu'à atteindre un état
d'équilibre qui se traduit par l'uniformisation de leurs Formulation
d'un problème de transfert de chaleur. Ces échanges thermiques
sont de trois types:
? La conduction thermique ou diffusion thermique.
? La convection.
? Le rayonnement thermique.
I.5.3.1. La conduction thermique :
Ce transfert de chaleur est le seul que l'on puisse rencontrer
dans les solides. La propagation de la chaleur s'effectue d'atome en atome, de
proche en proche, par transmission d'énergie d'agitation thermique. En
milieu solide les atomes, dont les positions d'équilibre sont fixes dans
l'espace, transfèrent de la chaleur sans déplacement de
matière. La théorie de la conduction repose sur
l'hypothèse de Fourier: le flux de chaleur est proportionnel au gradient
de température. [10]
CHAPITER I Etude bibliographique
13
b= -?S,????-????.
? : Puissance transférée (W)
S : Aire de la section de passage du flux de chaleur (m)
x : Variable d'espace dans la direction du flux Le signe (-)
dans l'équation est dû au fait que le flux de chaleur circule dans
le sens opposé au gradient de température.
X : Conductivité thermique du matériau, elle
caractérise la propension d'un matériau à conduire la
chaleur il s'exprime en W m- 1 K- 1. Lorsqu'un matériau laisse
facilement diffuser la chaleur on dit qu'il est conducteur, c'est le cas
notamment des métaux dont la conductivité thermique est
élevée. À l'inverse, un matériau tel que l'air au
repos s'oppose au transfert de chaleur et est donc appelé isolant.a,dns
ce cas la conductivité thermique est faible. [10]
I.5.3.2 Convection :
C'est, de façon générale, un transfert de
chaleur entre deux phases de nature différente. Elle intervient, par
exemple, à la surface de séparation entre un
solide et un fluide( liquide ou gaz ), ou aussi bien, à la surface
libre
entre un liquide et un gaz.
Le transfert de chaleur s'effectue en 2 phases :
? 1ère phase : la chaleur est échangée
par conduction entre la surface solide et une mince couche de fluide
(appelée "film"), au voisinage de la surface.
? 2ème phase : le fluide du film est
déplacé dans la masse du fluide ; ce déplacement du fluide
est, soit
naturel (variation de la masse volumique du film chauffé
ou refroidi, par rapport celle du fluide en masse),
soit artificiel (action d'une pompe, d'un agitateur). On parle
alors soit de convection naturelle, soit de
convection forcée.
Donc, le transfert de chaleur par convection est provoqué
par le déplacement d'un fluide, qui transporte avec lui
l'énergie qu'il contient. [10]
b=h.S.(Ts-Too)
? : Puissance transférée (W)
S : Surface traversée (m2)
Ts : Température de la surface (K)
Too : Température moyenne du fluide (K)
CHAPITER I Etude bibliographique
14
h : Coefficient moyen de transfert convectif (W/m2K) La valeur du
coefficient de transfert de chaleur par convection h est fonction de la nature
du fluide, de sa température, de sa vitesse et des
caractéristiques géométriques de la surface de contact
solide /fluide.
I.5.3.3. Rayonnement thermique :
Tous les corps quelque soit leur état : solide, liquide
ou gazeux, de température absolue T>O K, émettent des ondes
électromagnétiques ; on dit qu'ils émettent "un
rayonnement thermique". En plus, au processus d'émission de rayonnement
thermique s'ajoute un processus d'absorption des radiations
électromagnétiques provenant de l'environnement de ces corps.
Leur état thermique est alors régi par le bilan des processus
d'émission et d'absorption. Le rayonnement thermique correspond à
un transfert de chaleur ne nécessitant aucun support matériel,
c'est ainsi que la terre est "chauffée" par le rayonnement thermique du
soleil qui s'est propagé dans le vide, de la surface solaire, qui l'a
émis, jusqu'à la terre qui l'absorbe.
Avec : ?= ó. å. (Ts4-Toe4)
[12]
?: Puissance transférée (W).
ó : constante de Stefan Boltzmann = 5.67*10?8
W/m2.k4.
S : Surface traversée (m2) Ts : Température de la
surface (K).
Toe : Température du milieu environnant la surface
(K).
å : Émissivité de la surface.
I.5.4. Stockage d'énergie :
Le stockage d'énergie dans un corps correspond à
une augmentation de son énergie interne au cours du temps
d'où:
Öst=m.Cp.(????-????).
?st : Puissance de chaleur stockée (W).
m : Masse (kg).
Cp : Chaleur spécifique (J kg-1 °C-1).
T : Température (°C).
t : Temps (s) [10]
I.5.5. Génération d'énergie :
Elle intervient lorsqu'une autre forme d'énergie
(chimique, électrique, mécanique, nucléaire) est convertie
en
énergie thermique. On peut l'écrire sous la forme
:
Ög= q. V
Ög : Puissance de chaleur générée
(W).
q ? : Densité volumique d'énergie
générée (W m-3)
CHAPITER I Etude bibliographique
15
V : Volume (m3).
Les processus dégageant ou absorbant de
l'énergie sont: L'effet Joule Une réaction chimique exothermique
ou endothermique Une réaction nucléaire Un changement de phase.
[10]
CHAPITRE II Simulation thermomécanique du
piston
CHAPITRE II :
Simulation thermomécanique
du piston
CHAPITRE II Simulation thermomécanique du
piston
16
II.1. Le logiciel COMSOL Multiphysics :
II.1.1. Introduction :
COMSOL Multiphysics est un puissant environnement de simulation
interactif utilisé pour modéliser et résoudre toutes
sortes de problèmes scientifiques et techniques. Le logiciel fournit un
environnement de bureau intégré puissant avec un Model Builder
qui vous donne un aperçu complet du modèle et un accès
à toutes les fonctionnalités. Avec COMSOL Multiphysique, vous
pouvez facilement étendre les modèles conventionnels pour un type
de physique en modèles multiphysiques qui résolvent des
phénomènes physiques couplés et qui le font
simultanément. L'accès à ce pouvoir ne nécessite
pas connaissance approfondie des mathématiques ou de l'analyse
numérique.
En utilisant les interfaces physiques intégrées et
la prise en charge avancée des propriétés des
matériaux, vous pouvez créer des modèles en définir
les grandeurs physiques pertinentes - telles que les propriétés
des matériaux, les charges, les contraintes, les sources et les flux
-plutôt qu'en définissant les équations sous-jacentes. Vous
pouvez toujours appliquer ces variables, expressions ou nombresdirectement aux
domaines solides et fluides, aux frontières, aux arêtes et aux
points indépendamment du maillage de calcul.
Le logiciel COMSOL Multiphysics compile ensuite en interne un
ensemble d'équations représentant l'ensemble du modèle.
Vous accédez à la puissance de COMSOL Multiphysics
en tant que produit autonome via une interface utilisateur graphique flexible
(GUI), dans les applications créées à l'aide d'Application
Builder et déployées à l'aide de COMSOL Compiler TM ou
COMSOL Server TM, ou par programmation de script en Java ou en langage
MATLAB® (cela nécessite un LiveLink TM pour Licence
MATLAB®).
À l'aide de ces interfaces physiques, vous pouvez
effectuer différents types d'études, notamment:
· Études stationnaires et dépendantes du
temps (transitoires)
· Etudes linéaires et non linéaires
· Études de fréquence propre, modale et de
réponse en fréquence
Lors de la résolution des modèles, le logiciel
COMSOL Multiphysics assemble et résout le problème à
l'aide d'un ensemble de outils d'analyse numérique avancés. Le
logiciel exécute l'analyse avec le raffinement adaptatif du maillage (si
sélectionné) et le contrôle des erreurs à l'aide de
divers solveurs numériques. Les études peuvent
CHAPITRE II Simulation thermomécanique du
piston
17
utiliser des systèmes multiprocesseurs et le calcul en
cluster, et vous pouvez exécuter des travaux par lots et des balayages
paramétriques.
Le logiciel COMSOL Multiphysics crée des séquences
pour enregistrer toutes les étapes qui créent la
géométrie, le maillage, la physique, études et
paramètres du solveur, visualisation et présentation des
résultats. Cela facilite le paramétrage de n'importe quelle
pièce du modèle; changez simplement un noeud dans l'arborescence
du modèle et ré exécutez les séquences. Le
programme se souvient et réapplique toutes les autres informations et
données du modèle. [11]
Le logiciel dispose de dix modules complémentaires qui
étendent les capacités dans les domaines d'application
suivants:
· Module AC/DC
· Module acoustique
· Module Espèces chimiques et transport
· Électrochimie
· Flux de fluides
· Transfert de chaleur
· Plasma
· Fréquence radio (RF)
· Mécanique structurelle
· Mathématique
II.1.2.Création d'une géométrie pour
l'analyse :
Dans COMSOL Multiphysics, vous pouvez utiliser la
modélisation de solides ou la modélisation des limites pour
créer des objets en 1D, 2D et 3D. Ceux-ci peuvent être
combinés dans la même géométrie (modélisation
hybride).
· Lors de la modélisation de solides, une
géométrie est formée comme une combinaison d'objets
solides à l'aide d'opérations booléennes telles que
l'union, l'intersection et la différence. Les objets formés en
combinant une collection de solides existants à l'aide
d'opérations booléennes sont appelés objets solides
composites.
· La modélisation des limites est le processus de
définition d'un solide en fonction de ses limites - par exemple, en
utilisant des lignes pour créer un domaine hexagonal solide en 2D. Vous
pouvez combiner un tel solide avec des primitives géométriques -
des formes de modélisation solides courantes telles que des blocs, des
cônes, des sphères, des rectangles et des cercles, qui sont
directement disponibles dans COMSOL Multiphysics
CHAPITRE II Simulation thermomécanique du
piston
18
Le module d'importation CAO fournit une interface pour
l'importation de fichiers CAO aux formats Parasolid, SAT (ACIS), Inventor, Pro
/ E, SOLIDWORKS, STEP et IGES. De plus, le module d'importation CATIA V5
fournit une interface pour les fichiers CATIA V5.
Les produits LiveLink TM en option offrent des liens
bidirectionnels vers le logiciel de CAO 3D. Grâce à ceux-ci, vous
pouvez exécuter des balayages géométriques
paramétriques depuis l'environnement COMSOL mais en opérant
directement sur les géométries dans le package CAO respectif.
[11]
II.1.3 Les matériaux :
Les propriétés du matériau sont
organisées en groupes de propriétés de matériau,
qui apparaissent sous forme de sous-noeuds sous le matériau noeud dans
Model Builder:
· Le groupe de propriétés de base contient
des propriétés de matériau communes qui peuvent
généralement être mesurées et sont significatif sans
aucun contexte.
· Les groupes définis par l'utilisateur peuvent
contenir un sous-ensemble des mêmes quantités.
· Chaque groupe de propriétés
prédéfini contient une ou plusieurs propriétés de
matériau qui n'ont de sens qu'ensemble et dans le contexte d'un
modèle de matériau particulier.
· Les valeurs des propriétés du
matériau sont des sorties du matériau, qui peuvent être des
valeurs constantes ou des fonctions du modèle intrants (grandeurs
physiques comme la température et la pression). En principe, les
interfaces physiques posent d'abord un matériau les entrées dont
il a besoin pour calculer ses propriétés de sortie, puis demandez
au matériau de calculer les valeurs de propriété
données valeurs des entrées du modèle - par exemple,
conductivité thermique (sortie) en fonction de la température
(entrée). [11]
II.1.4. L'interface de transfert de chaleur :
COMSOL Multiphysics comprend les interfaces suivantes pour le
transfert de chaleur:
· Transfert de chaleur dans les solides
· Transfert de chaleur dans les fluides
· Transfert de chaleur dans les solides et les fluides
· Transfert de chaleur conjugué, flux laminaire
(interface multiphysique
CHAPITRE II Simulation thermomécanique du
piston
? Chauffage Joule (interface multiphysique)
Ils sont utilisés pour calculer le champ de
température.
L'interface de transfert de chaleur conjugué, flux
laminaire calcule également les champs de pression et de vitesse.
De plus, l'interface Joule Heating calcule un champ de potentiel
électrique.
La principale variable dépendante est la
température T.
Les interfaces de transfert de chaleur et les couplages
multiphysiques peuvent être utilisés pour modéliser le
transfert de chaleur par conduction et la convection ainsi que le transfert de
chaleur conjugué et le chauffage électromagnétique.
[11]
II.2. Le logiciel SOLIDWORKS :
Créé en 1993 par l'éditeur
américain éponyme, SolidWorks a été acheté
le 24 juin 1997 par la société Dassault Systèmes2.Parmi
les plus grandes organisations utilisant SolidWorks, on peut citer Michelin,
Équipement d'emballage MMC, AREVA, Patek Philippe, Mega Bloks, Axiome,
ME2C, SACMO,Le Boulch, Robert Renaud et le Ministère de
l'Éducation nationale français.
Le logiciel de CAO SolidWorks® est une application de
conception mécanique 3D paramétrique qui permet aux concepteurs
d'esquisser rapidement des idées, d'expérimenter des fonctions et
des cotes afin de produire des modèles et des mises en plan
précises. [12]
SOLIDWORKS est un système à cotation
piloté. On peut spécifier des cotes et rapports
géométriques entre les éléments. Un changement de
cote entraîne un changement de taille de la pièce, tout en
préservant l'intention de conception. Un modèle SolidWorks est
constitué de pièces, d'assemblages et de mise en plan. Les
pièces, les assemblages et les mises en plan affichent le même
modèle dans des documents différents. Les changements
opérés sur le modèle dans l'un des documents se propagent
aux autres documents contenant ce modèle. [12]
Le logiciel SolidWorks comprend trois modules
élémentaires : Pièce, Assemblage, Mise en plan. En
fonction du type de licence, d'autres compléments peuvent être
implémenté. Dans la version SolidWorks Premium sont disponible
les compléments suivants : SolidWorks Simulation, SolidWorks
FlowSimulation, PhotoView 360, SolidWorks Motion.
19
II.2.1 Les advantages du logiciel SOLIDWORKS :
CHAPITRE II Simulation thermomécanique du
piston
20
? Une interface familière en tant que
Concepteur-Projeteur. ...
? La gestion des données à travers la plateforme
3DEXPERIENCE. ... ? L'implication de plusieurs contributeurs. ...
? Une recherche des données optimisée.
II.3. Etude de transfert de chaleur dans un piston
moteur : (Exemple d'un article scientifique) :
En 7 juillet 2016, un article scientifique qui aborde
|
une analyse du transfert de chaleur dans un piston d'un
moteur
|
|
à combustion interne à l'aide de Comsol
Multiphysics: une étude de cas de trois cycles, a été
publiée dans : « International Journal of Scientific &
Engineering Research ».
L'analyse portait essentiellement sur l'état transitoire
de la convection forcée et du transfert de chaleur par conduction. Comme
condition initiale, les distributions de température ont
été considérées le long du piston dans une plage de
523K - 673K.
Dans cette analyse, la géométrie du modèle
du piston a été réalisée avec le logiciel AutoCAD
software, laquelle été importé sur le logiciel COMSOL
Multiphysics en utilisant Autodesk INVENTOR.
Le problème étudié était les
problèmes de transfert de chaleur en 3D, transitoire et dépendant
du temps avec flux laminaire. La chaleur est transférée par
conduction à travers la paroi du cylindre dans le piston, où il y
a un mélange air-carburant et libéré par convection
à la paroi du cylindrer, conduit à travers la paroi et rayonne
sur l'arrondi. On suppose que le débit est laminaire, transitoire et
incompressible.
Les matériaux utilisées étés :
L'alliage d'aluminium 6061, l'essence et l'air ont été
sélectionnés sur le navigateur de matériaux et les valeurs
des paramètres sélectionnés ont été fournies
sur le contenu du matériau.
Le maillage choisi était Tétraédrique
libre. Le maillage terminé se compose de 86225 éléments et
le nombre de degrés de liberté résolus était de
18553 en 367 s
CHAPITRE II Simulation thermomécanique du
piston
21
Dans la fenêtre « Model Builder », une
étude dépendante du temps a été choisie dans une
plage de «0, 0,1, 10», dans le champ d'édition, avant que tous
les tracés de température (ht) ne soient mis à jour
à un solveur discret temporel. L'étude a ensuite
été calculée pour le post-traitement et la
visualisation.
II.3.1.Les résultats obtenus :
En mode post-traitement, différents types de
tracés ont été obtenus à partir d'ensembles de
paramètres sélectionnés, qui on aider à obtenir les
résultats suivants :
A 0s :
Le piston reste chaud à 562,15K en 0 seconde. Le
transfert de chaleur n'a pas encore eu lieu à ce moment. [14]
Apres 1.28 minutes :
Le piston est dans mélange air-carburant. Pendant ce
temps, la température du piston est passée de 562,97K à
562,98K. Cependant, l'augmentation n'est pas significative car le transfert de
chaleur n'a pas encore eu lieu à 1,28 minute. A ce moment, le
pourcentage de carburant dans le mélange est plus comparé
à celui de l'air. [14]
Apres 1.7 minutes:
Le piston reçoit plus d'admission d'air dans le
mélange. Ainsi, la température du piston est passée de
562,87K à 562,9K. Plus d'air est admis alors que le piston est toujours
au point mort bas (PMB) à 1,7 minute. Ainsi, la distribution de
température commence à ce moment. [14]
Apres 4.22 minutes:
Le piston est au point mort haut (PMH). À ce stade, le
mélange air chaud-carburant est enflammé par la bougie
d'allumage. C'est le terme «coup de force». Ainsi, le piston est
chauffé au rouge et cela indique que la température du piston est
passée de 562,9K à 569,89K. Ceci est corroboré par le
gradient de température à 4,22 minutes [14] Apres 11.35
minutes:
Le piston retourne au PMB, ce qui lui donne de la place pour que
le transfert de chaleur ait lieu en 11,35 minutes. On a découvert que la
température est passée de 557,81K à 554,63K ce qui montre
qu'il y a encore des traces de chaleur à la puissance inférieure
du piston. Ceci indique que le piston n'a pas été
complètement transféré. 0,03 K de température n'a
pas encore été transféré. [14
CHAPITRE II Simulation thermomécanique du
piston
22
Âpres 11.36 minutes:
Le piston est complètement revenu au BDC, ce qui a
laissé de la place pour que la chaleur soit transférée
complètement en 11,36 minutes. On a découvert que la
température est passée de 557,81K à 554,63K ce qui montre
qu'il n'y a aucune trace de chaleur à la puissance inférieure du
piston[14]
II.3.2. Définitions :
· Transfert de chaleur avec flux laminaire sur
COMSOL Multiphysics :
L'interface multi physique de transfert de chaleur
conjugué, flux laminaire est utilisée pour simuler le couplage
entre le transfert de chaleur et l'écoulement de fluide. Il combine le
transfert de chaleur dans les solides et les interfaces à flux
laminaire. Le couplage multiphysique non isotherme flux est automatiquement
ajouté. Il couple les interfaces de transfert de chaleur et de
débit et fournit des options pour inclure le chauffage par flux dans le
modèle. Les propriétés du fluide peuvent dépendre
de la température. Les modèles peuvent également inclure
le transfert de chaleur dans les solides ainsi que le rayonnement de surface
à surface et le rayonnement dans les milieux participants, avec le
module de transfert de chaleur. L'interface physique prend en charge de faibles
nombres de Mach (généralement inférieurs à 0,3),
ainsi que des fluides non newtoniens.
Sur les interfaces physiques constituantes:
L'interface de flux laminaire résout la conservation de
l'énergie, de la masse et de la quantité de mouvement dans les
fluides. Un modèle Fluid est actif par défaut sur toute la
sélection d'interface. La sélection de domaine d'interface de
flux peut être modifiée si le modèle contient des domaines
solides. [13]
L'interface Transfert de chaleur dans les solides fournit des
fonctionnalités de modélisation du transfert de chaleur par
conduction, convection et rayonnement. Un modèle de transfert de chaleur
dans les fluides est automatiquement ajouté. Sa sélection doit
être modifiée pour correspondre à la sélection de
domaine utilisée pour l'interface de flux. Un modèle Transfert de
chaleur dans les solides est actif par défaut sur les domaines non
fluides. [13]
· L'étude dépendante de temps
:
L'étude dépendante de temps est utilisée
lorsque les variables de champ changent avec le temps. Dans le transfert de
chaleur, il est utilisé pour calculer les changements de
température au fil du temps. [15]
· Point mort haut et point mort bas du
piston
CHAPITRE II Simulation thermomécanique du
piston
Le piston se trouve au point mort haut (PMH) lorsqu'il atteint le
point haut de sa course dans le cylindre. A ce moment, le volume de la chambre
de combustion est au minimum, et la compression est maximale.
A l'inverse, le piston se trouve au point mort bas (PMB)
lorsqu'il atteint le point bas de sa course. A cet instant, le volume de la
chambre de combustion est au maximum. Un capteur s'occupe de relever la
position en continu. Lorsqu'il dysfonctionne, cela peut provoquer des coupures
moteur inopinées, des pertes de puissance et des démarrages
chaotiques.
23
Figure II.1 Point mort haut et point mort bas du piston
II.4.Exemple d'une étude des déformations d'un piston par
simulation :
En juillet 2020, un article scientifique qui aborde Analyse
thermique et statique d'un piston de moteur à combustion interne
à l'aide de « Comsol Multiphysics». L'étude est
réalisée par Raghuveer Chandra et Amandeepsingh
Siddhu.
Le but de cette étude était l'analyse du
transfert de chaleur dans le piston et la détermination du meilleur
matériel pour la fabrication des pistons des moteurs à
combustion interne.
La pression maximale dans la chambre de combustion peut atteindre
7MPa et température maximale du piston la surface peut dépasser
900 O C.
Dans ce qui se suit on va aborder les résultats qui ils
ont obtenus concernant le choix du meilleur matériel. La
réalisation du model du piston été faite par le logiciel
AutoCad.
Les matériaux étudies été : Aluminium
7075,Aluminium 6061,Fonte grise A48, alliage titanique de haute
résistance de la catégorie 40.
CHAPITRE II Simulation thermomécanique du
piston
24
La méthode d'analyse par éléments finis
été utilisée pour effectuer l'analyse sur le piston
lorsqu'il est soumis à des charges thermiques et mécaniques. Pour
effectuer l'analyse de piston et le logiciel d'analyse Fusion 360 est
utilisé.
II.4.1. Résultats obtenus :
On présente les résultats de la
détermination du facteur de sécurité et le
déplacement (déformation du piston) :
|
Le matériel
|
Aluminium 7075
|
Aluminium 6061
|
Fonte grise A48
|
alliage titanique 40
|
|
Facteur de sécurité (Min/Max)
|
1.9172/15
|
1.74/ 15
|
1.793/ 15
|
5.609/15
|
|
Déplacement (Min/Max)
|
0.004987 mm/ 0.05934 mm
|
0.00519 mm /0.06175 mm
|
0.0027 mm /0.03384 mm
|
0.003173 mm/ 0.03746 mm
|
Tableau II.1 Résultats obtenus [15]
II.4.2. La conclusion du travail :
Après avoir effectué une analyse sur les 4
différents matériaux à savoir aluminium 7075, aluminium
6061, fer à chats gris A48 grade 40 et titane sous deux charges
différentes conditions (charges mécaniques, charges thermiques)
nous pouvons conclure que le titane subit la moindre déformation, a
facteurs de sécurité les plus élevés et peut
dissiper une plus grande quantité de chaleur que par rapport aux autres
matériaux utilisés. Donc, par ceci :Le titane peut être
utilisé pour les moteurs hautes performances. Les deux alliages
d'aluminium peuvent être utilisés pour les pistons à
moteurs basse vitesse. [15]
II.5.Réalisation d'une étude de transfert
de chaleur en régime stationnaire :
Dans ce cas : Le problème étudié
était les problèmes de transfert de chaleur en 3D en
régime stationnaire. Le matériel choisi été
L'Alliage Aluminium (6061).
|
Tableau II.2 Contenu matériel de d'alliage
d'aluminium 6061
|
|
Propriété
|
nom
|
Valeur
|
Unité
|
Groupe de propriétés
|
|
Dl
|
dL
|
5
|
|
De base
|
|
CTE
|
CTE
|
2430
|
|
De base
|
CHAPITRE II Simulation thermomécanique du
piston
|
Densité
|
Rho
|
2700
|
Kg/m^3
|
De base
|
|
Conductivité thermique
|
K
|
167
|
W/ (m.K)
|
De base
|
|
Mu
|
Mu
|
0.00000296
|
|
De base
|
|
Conductivité électrique
|
a
|
45
|
S/m
|
De base
|
|
Coefficient de dilatation thermique
|
alpha
|
0.0234
|
1/K
|
De base
|
|
Résistivité
|
Res
|
0.0000000399
|
Ù*m
|
De base
|
|
Capacité thermique à pression constante
|
Cp
|
936
|
|
De base
|
|
Kappa
|
Kappa
|
1
|
|
De base
|
|
Ratio de chaleurs spécifiques
|
gamma
|
1.4
|
1
|
De base
|
L'étude stationnaire : est
utilisée lorsque les variables de terrain ne changent pas avec le temps.
En transfert de chaleur, il est utilisé pour calculer le champ de
température à l'équilibre thermique. En mécanique
des solides, il est utilisé pour calculer les déformations, les
contraintes et les déformations à l'équilibre statique.
Dans l'écoulement de fluide, il est utilisé pour calculer des
champs de débit et de pression stables.
Comme condition initiale, les distributions de température
ont été considérées le long du piston dans une
plage de 523K - 673K.
II.5.1. Réalisation du model de piston avec
SolidWorks :
Figure II.2 Le modèle du piston réalise
avec SOLIDWORKS
25
CHAPITRE II Simulation thermomécanique du
piston
II.5.3 Les dimensions du piston réalisé
25
CHAPITRE II Simulation thermomécanique du
piston
26
II.5.2. Importation du modèle du piston sur COMSOL
Muliphysics :
Figure II.4 Le modèle du piston réalise
avec SOLIDWORKS
II.5.3. Maillage :
Figure II.5 Maillage du piston
Le maillage choisi était Tétraédrique
libre. Le maillage terminé se compose de 86225 éléments et
le nombre de degrés de liberté résolus était de
18553 en 367 s.
CHAPITRE II Simulation thermomécanique du
piston
II.5.4. Résultats obtenus :
Figure II.4 La température dans la surface Figure
II.7 Les isothermes sur la surface
du piston
II.5.5. Discussions des résultats :
Le haut du piston est directement exposé à la
combustion dans le cylindre du moteur. Cependant, la combustion ne se fait pas
uniformément & travers le dessus du piston. Il y a des variations de
température le long du radial et du direction circonférentielle
de la surface supérieure du piston. Cela est dû à la
manière dont le carburant et l'air sont introduits dans le cylindre pour
un moteur. Lorsque l'air est comprimé, du carburant est
pulvérisé dans le cylindre via l'injecteur de carburant.
Certaines parties du sommet du piston sont donc plus directement
exposées à la combustion. Comme la combustion commence, les zones
vers lesquelles se propage la combustion auront une température plus
élevée que le reste du piston.
26
CHAPITRE II Simulation thermomécanique du
piston
28
Conclusion :
La détermination du transfert de chaleur dans le piston et
le choix du matériau du piston qui un facteur prépondérant
dans les étapes de conception des moteurs à combustion interne,
en raison des contraintes liées aux performances et à la
fiabilité, il nous faut une méthode fiables pour obtenir des
résultats sur et réalisable .Dans ce mémoire on
présenté quelques exemples pour réaliser cette
étude et aussi les résultats obtenus peuvent être
validés à l'aide d'autres progiciels disponibles tels que ANSYS,
ABAQUS, NASTRAN, MATLAB, J-ANALYZER utilisés pour simuler le transfert
de chaleur sur le piston d'un moteur IC.
Références bibliographiques :
[1] : J. C. Guibert, Carburants et moteurs,
Technologie - Energie - Environnement, Tome 1, Ed. Technip, Paris, 1997, pp.
124-197, 301-338
[2]. Université des Sciences et de la Technologie d'Oran
- Mohammed Boudiaf. POLYCOPIE Moteurs à Combustion Interne, Combustion
et Eléments de Carburation PRESENTE PAR D r . Mohamed BENCHERIF
(Maître de Conférences B) , page 6
[3].
http://www.toutsurlamoto.com/le-piston.html
[4] Etude de la Sensibilité des Paramètres de
Transferts Thermiques Conductifs Appliquée sur un Moteur à
Combustion Interne Ecole Nationale Polytechnique d'Alger Septembre 2006
[5] ISO 7967-2:2010(fr)
[6] A.Benhamou « Analyse de l'influence de la forme de la
tête du piston d'un moteur diesel a injection directe sur les contraintes
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[7] Furuhama S. and Suzuki H.»Temperature distribution of
piston ring and piston in high speed Diesel Engine» Bulletin of the JSME,
Volume 22, N°174, pp. 1979, 1996
[8] M.TAHAR ABBES, M. HADJ MILOUD, P. MASPEYROT « un
modèle global de piston de moteur a combustion interne partie III- le
modèle thermique » XVe""1 Congrès Français de
Mécanique, septembre 2001.
[9]
https://www.ms-motorservice.com/fr/technipedia/post/dommages-sur-les-pistons-et-leurs-causes/
[10] Cours de transfert de chaleur, u [11] combustion engine',
SAE paper N° 670931, 1967.MAHLE GmbH (Ed.),
[11] Comsol.fr
[12]
SolidWorks.com
[13]Comsol 5.2a
[14] International Journal of Scientific & Engineering
Research, Volume 7, Issue 7, July-2016 59 ISSN 2229-5518
[15] International Research Journal of Engineering and
Technology (IRJET) e-ISSN:23950056 Volume: 07 Issue: 07 | July 2020
