1) POSITION DU PROBLEME
Rôle du refroidissement
Le but de cette partie est d'étudier le refroidissement du moteur et de donner à l'aide de calculs simples des hypothèses simplificatrices un ordre de grandeur pour le dimensionnement pour le circuit de refroidissement.
Le rôle du refroidissement du moteur est essentiel. En effet, seule 40 à 45 % de l'énergie libérée lors de la combustion est transformée en énergie mécanique, directement utilisable sur l'arbre. Une bonne partie de l'énergie de combustion est évacuée avec les gaz d'échappement (environ 30% de l'énergie de combustion). Il reste alors une part non négligeable de l'énergie de combustion qui est évacuée par les parois de la chambre de combustion. Il est donc absolument nécessaire de refroidir en permanence les parois des cylindres afin d'éviter des températures trop élevées forcément dommageables pour les matériaux ou encore la lubrification du piston et donc de manière générale pour le bon fonctionnement global du moteur.
Il existe deux possibilités : le refroidissement par air et le refroidissement par eau. Les avantages du refroidissement par air par rapport au refroidissement par eau sont intéressants. En effet un refroidissement par eau implique la présence d'une pompe pour faire circuler le fluide, ce qui non seulement absorbe une partie de la puissance moteur disponible (inférieure à 1% toutefois) mais implique une charge embarquée supplémentaire et un volume plus grand. Evidemment dans le cas d'un engin de course où la chasse au poids superflu et où le moindre gain en puissance est très apprécié, il semble que le refroidissement par air représente une solution particulièrement adaptée.
Refroidissement par eau
La circulation de l'eau autour des cylindres est modélisée par un espace contenu entre deux cylindres coaxiaux et de hauteur égale à la course du piston. Il s'agit de dimensionner le débit d'eau, l'épaisseur de la chemise e1et l'épaisseur du circuit d'eau e2.
Calcul
du coefficient d'échange thermique thermique (hint) entre les gaz
chauds dans le cylindre et la paroi extérieure du cylindre. Il est donné
dans la littéature par la formule de Woscnni :
où :
Le
coefficient d'échange thermique entre l'eau et la paroi extérieure est
donné par une relation liant le nombre de Nusselt (Nu), le nombre de Re
(Re) et le nombre de Prandlt(Pr)
.Il
faut dimensionner le circuit d'eau de telle manière que la température
de la paroi interne du cylindre ne dépasse pas 200°C afin de ne pas
dégrader le lubrifiant et éviter les déformations du cylindre.
Pompe à eau
Elle est généralement entrainée par une poulie liée en rotation au vilebrequin par l'intermédiaire d'une courroie. Il faut éviter la cavitation dans la pompe, c'est pourquoi le circuit d'eau est sous pression. La pompe doit donc vaincre les pertes de charge du circuit et pressuriser l'eau.Elles s'expriment en hauteur d'eau par une relation de la forme
.
En fait, on estime que l'essentiel des pertes de charges se produisent dans le radiateur et finalement que les pertes de charges linéaires autour des cylindres ne constituent que quelques pourcent de la perte de charge totale dans le circuit de refroidissement (< 5%).
Finalement la hauteur d'eau totale que doit vaincre la pompe est
Cela permet de calculer la puissance de la pompe:
, avec un rendement d'environ 50 à 60 %.
Comme on pourra le constater, cette puissance de la pompe ne dépasse pas quelques % de la puissance du moteur.
Le but de cette partie est d'étudier le refroidissement du moteur et de donner à l'aide de calculs simples des hypothèses simplificatrices un ordre de grandeur pour le dimensionnement pour le circuit de refroidissement.
Le rôle du refroidissement du moteur est essentiel. En effet, seule 40 à 45 % de l'énergie libérée lors de la combustion est transformée en énergie mécanique, directement utilisable sur l'arbre. Une bonne partie de l'énergie de combustion est évacuée avec les gaz d'échappement (environ 30% de l'énergie de combustion). Il reste alors une part non négligeable de l'énergie de combustion qui est évacuée par les parois de la chambre de combustion. Il est donc absolument nécessaire de refroidir en permanence les parois des cylindres afin d'éviter des températures trop élevées forcément dommageables pour les matériaux ou encore la lubrification du piston et donc de manière générale pour le bon fonctionnement global du moteur.
Il existe deux possibilités : le refroidissement par air et le refroidissement par eau. Les avantages du refroidissement par air par rapport au refroidissement par eau sont intéressants. En effet un refroidissement par eau implique la présence d'une pompe pour faire circuler le fluide, ce qui non seulement absorbe une partie de la puissance moteur disponible (inférieure à 1% toutefois) mais implique une charge embarquée supplémentaire et un volume plus grand. Evidemment dans le cas d'un engin de course où la chasse au poids superflu et où le moindre gain en puissance est très apprécié, il semble que le refroidissement par air représente une solution particulièrement adaptée.
Le circuit de refroidissement comporte:
- un circuit d'eau fermé sous pression assurant le refroidissement des parties chaudes du moteur
- une pompe à eau assurant la circulation de l'eau
- un radiateur permettant le refroidissement de l'eau du circuit (c'est en fait un échangeur entre l'eau et l'air extérieur)
La circulation de l'eau autour des cylindres est modélisée par un espace contenu entre deux cylindres coaxiaux et de hauteur égale à la course du piston. Il s'agit de dimensionner le débit d'eau, l'épaisseur de la chemise e1et l'épaisseur du circuit d'eau e2.
Les hypothèses retenues sont :
- Régime permanent
- On étudie seulement que la chaleur évacuée par les parois latérales du cylindre.
- La surface d'échange est constante au cours d'un cycle, et est égale à la longueur balayée entre le point mort haut et le point mort bas.
- la conduction dans la chemise solide (paroi en aluminium)
- la convection forcée entre l'eau du circuit de refroidissement et la paroi extérieure.
- la convection forcée entre les gaz chauds dans le cylindre et la paroi intérieure.
Calcul
du coefficient d'échange thermique thermique (hint) entre les gaz
chauds dans le cylindre et la paroi extérieure du cylindre. Il est donné
dans la littéature par la formule de Woscnni :où :
- A est l'alésage (m)
- P la pression (kPa)
- T la température (K)
- w la vitesse des gaz (m/s)
Le
coefficient d'échange thermique entre l'eau et la paroi extérieure est
donné par une relation liant le nombre de Nusselt (Nu), le nombre de Re
(Re) et le nombre de Prandlt(Pr) - r2: rayon du cylindre externe
- r1 : rayon du cylindre interne
Soit :
- phi le flux de chaleur à évacuer par unité de surface
- Teau la température moyenne de l'eau
- Tgaz la température des gaz chauds
- Text la température de la paroi extérieure
- Tint la température de la paroi intérieure
On obtient alors les températures de paroi internes et externes du cylindre :
Remarques:
.Il
faut dimensionner le circuit d'eau de telle manière que la température
de la paroi interne du cylindre ne dépasse pas 200°C afin de ne pas
dégrader le lubrifiant et éviter les déformations du cylindre.Pompe à eau
Elle est généralement entrainée par une poulie liée en rotation au vilebrequin par l'intermédiaire d'une courroie. Il faut éviter la cavitation dans la pompe, c'est pourquoi le circuit d'eau est sous pression. La pompe doit donc vaincre les pertes de charge du circuit et pressuriser l'eau.Elles s'expriment en hauteur d'eau par une relation de la forme
.En fait, on estime que l'essentiel des pertes de charges se produisent dans le radiateur et finalement que les pertes de charges linéaires autour des cylindres ne constituent que quelques pourcent de la perte de charge totale dans le circuit de refroidissement (< 5%).
Finalement la hauteur d'eau totale que doit vaincre la pompe est
Cela permet de calculer la puissance de la pompe:
, avec un rendement d'environ 50 à 60 %.Comme on pourra le constater, cette puissance de la pompe ne dépasse pas quelques % de la puissance du moteur.
