Analyse de l'entraînement d'air induit par le développement instationnaire d'un spray conique creux. Application à l'injection directe essence

• Main Author: Prosperi, Brice
• Format: Others
• Published: 2008
• Online Access: http://oatao.univ-toulouse.fr/7815/1/prosperi.pdf

Les travaux présentés s'inscrivent dans l'étude générale de la mise au point des moteurs à injection directe essence de deuxième génération. Ces moteurs présentent un gain potentiel de réduction de la consommation de carburant dans un fonctionnement en mode de combustion en mélange pauvre et stratifié. Pour accroître le gain, l'application de ce mode de fonctionnement doit être étendue des bas régimes et faibles charges du moteur jusqu'aux régimes intermédiaires et charges partielles. La technologie d'injecteur à actuateur piézo-électrique permet de contrôler précisément la quantité de carburant injecté sur toute la plage d'utilisation du moteur mais aussi de stratifier le mélange. A l'intérieur de la chambre de combustion, le spray issu d'une pulvérisation spécifique à l'injecteur est convecté, en direction du point d'allumage, par le brassage qu'il induit avec le gaz environnant. La connaissance des propriétés de propagation du mélange dans la chambre est nécessaire pour déterminer le délai optimum entre les temps d'injection et d'allumage. Les simulations numériques actuelles prédisent mal la propagation du mélange en fonction de condition d'injection. La modélisation du spray doit être améliorée puis validée par une comparaison avec des expériences modèles. Dans ce cadre, la technique de vélocimétrie par images de particules fluorescentes permet d'étudier l'écoulement d'air autour voire à l'intérieur du spray. Cette technique de mesure adaptée aux écoulements diphasiques denses est utilisée pour quantifier les échanges de quantité de mouvement entre phases. La première partie de ces travaux concerne l'analyse des effets stationnaires de l'écoulement du gaz. L'étude de l'influence des paramètres d'injection mène à l'établissement d'une loi d'entraînement le long de la frontière du spray. La deuxième partie présente la méthodologie développée pour traiter les effets instationnaires et les analyses de cas d'injection de courte durée. Les résultats montrent que la conséquence des interactions entre le gaz et le liquide est la formation de deux recirculations diphasiques, à l'extérieur et à l'intérieur du spray. Ces structures régissent les vitesses de propagation et de stratification du mélange. Pour amener à une meilleure compréhension de la dynamique du mélange, les mécanismes d'entraînement d'air sont étudiés pour un cas d'injection haute pression. L'influence des paramètres d'injection est ensuite étudiée dans le but applicatif relatif au choix de la stratégie d'introduction du liquide. Abstract : Due to the necessary reduction of pollutants emission, automotive manufacturers have to product more efficient and cleaner engine. First homogeneous then stratified gasoline direct injection (GDI) strategies were proposed to improve fuel saving for engines by mean of a better combustion. Indeed, an efficient way of operating a gasoline internal combustion at part load is to burn the fuel in an overall air excess. The aim of this work is to study the air entrainment process induced by a GDI dense hollow-cone spray. This spray allows charge stratification thanks to a specific design of the injector. The spray cloud goes through the ignition point while mixing with the surrounding gas. Therefore, injection conditions, spray characteristics and aerodynamics have to be optimized to control the mixture formation. Particularly, the mixing rate of the vaporized fuel with the ambient fluid and consequently the control of the combustion process are directly linked to the rate of gas entrainment. Nowadays, numerical simulations cannot be used as a predictive tool for the mixture dynamics. Spray modeling has, first, to be improved and, then, to be validated with experiments. Fluorescent particles images velocimetry is an optical technique that allows studying gas flow around the spray. This technique is used to quantify the momentum exchange between phases as it's well adapted to dense two-phase flows. The first part of the study deals with the analysis of steady effect on gas flow induced by the spray. The study of injection parameters influence leads to the establishment of an entrainment law along the spray edge. The second part presents the methodology that has been developped in order to treat unsteady effects and the temporal analysis of short-injection-duration cases. Several analysis shows that gas and drops interactions generate two main vortices, inside and outside the spray. These structures control the propagation and the stratification of the gas and fuel mixture. In order to bring the mixture dynamics into a better understanding, air entrainment mechanisms are studied with injection parameters influence tests that have been performed on the spray development of short injection-duration