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Conception préliminaire de moteurs bicylindres
Thèse de DEA
Yannick Louvigny
Promoteur: P. DuysinxConc
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dres
Introduction Modélisation Résultats Conclusions
Introduction
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Introduction Modélisation Résultats Conclusions
Plan de la présentation
• Introduction et présentation des objectifs• Phase de conception et modélisation
– Différentes configurations de moteur– Modélisation et données– Etapes de simulation
• Résultats– Calcul des forces et moments– Comparaison avec un moteur quatre cylindres– Effet de la pression des gaz– Analyse de sensibilité
• Conclusions et perspectives
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Introduction Modélisation Résultats Conclusions
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Contexte du projet
• Intérêt industriel grandissant pour moteur de faible cylindrée (à deux ou trois cylindres)
• Collaboration avec BTD (Breuer Technical Development)
• Equilibrage des moteurs est un sujet actuel– Simulation sur base de modèle simplifié– Simulation plus complète du moteur (modèle complexe)– Modélisation des supports du moteur et étude de la
transmission des vibrations au reste du véhicule
Introduction Modélisation Résultats Conclusions
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Objectifs
• Modélisation des différentes configurations de moteur– Monocylindre– Bicylindre : en ligne / à plat (boxer)– Bicylindre : en-phase / déphasé
• Calcul des forces et des moments– A partir d’un modèle simplifié
• Equilibrage– Optimisation des contrepoids du vilebrequin– Arbres d’équilibrage du premier ordre– Arbres d’équilibrage du second ordre– Comparaison avec un moteur quatre cylindres
Introduction Modélisation Résultats Conclusions
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Objectifs
• Influence de la pression des gaz• Analyse de la sensibilité de l’équilibrage en fonction de
différents paramètres de conception– Longueur de course– Masse des composants
• Piston• Bielle
– Longueur de la bielle– Entraxe des cylindres
• Conclusions et perspectives
Introduction Modélisation Résultats Conclusions
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Modélisation
Introduction Modélisation Résultats Conclusions
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Introduction Modélisation Résultats Conclusions
Configurations de moteur
Boxer
En ligne
DéphaséEn phase
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• Calcul des forces d’inertie de l’équipage mobile
Introduction Modélisation Résultats Conclusions
...)]6cos4cos2cos(coscos[ 6422 +⋅+⋅+⋅+⋅+⋅⋅⋅= θθθθθω AAAmmrF orx
θω sin2 ⋅⋅⋅= ry mrF
22yxres FFF +=
21 32 mmmr ⋅+=
23 31 mmmo ⋅+=
Modèle simplifié
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Données géométriques
• Moteur course courte– r = demi-course = 0.0432 m – λ = r/L– L = longueur de la bielle =
0.136 m – m2 = masse de la bielle =
0.7131 kg– m3 = masse du piston =
0.7172 kg– θ = angle du vilebrequin– ω = 4000 tour/min
Introduction Modélisation Résultats Conclusions
• Moteur longue course– r = demi-course = 0.04775 m – λ = r/L– L = longueur de la bielle =
0.144 m – m2 = masse de la bielle =
0.6287 kg– m3 = masse du piston=
0.7754 kg– θ = angle du vilebrequin– ω = 4000 tour/min
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Etapes de simulation
• Etapes de la simulation:
– Calcul des forces et des moments d’inertie en fonction de l’angle du vilebrequin pour les différentes configurations de moteur (monocylindre et bicylindre)
– Influence des contrepoids du vilebrequin et simulation de l’effet d’un ou deux arbres d’équilibrage sur la valeur des forces et des moments d’inertie
– Comparaison des forces et moments résultants des différentes configurations de moteur bicylindre avec les forces et moments d’un moteur quatre cylindres (niveau de référence)
Introduction Modélisation Résultats Conclusions
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Etapes de simulation
• Etapes de la simulation (suite):
– Introduction de l’effet de la pression des gaz. Influence de la configuration du moteur sur le couple et sur la taille du volantd’inertie. Influence de la longueur de course
– Analyse de sensibilité. Influence de la variation de certains paramètres (masse du piston, longueur et masse de la bielle, entraxe des cylindres) sur les forces et moments d’inertie
Introduction Modélisation Résultats Conclusions
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Résultats
Introduction Modélisation Résultats Conclusions
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Forces et moments
Introduction ConclusionsModélisation Résultats
0 50 100 150 200 250 300 350
-1
-0.8
-0.6
-0.4
-0.2
0
0.2
0.4
0.6
0.8
1
x 104 Forces in the direction of the cylinder
Angular crankshaft position (°)
F x (N)
Fxrotating first order
Fxoscillating first order
Fxfirst order
Fxsecond order
Fxfourth order
Fx
• Monocylindre course courte dans sa configuration de base
0
2500
5000
7500
10000
12500
originaldata
opti.crank
2 fobs 1 fobs 2 sobs 1 fobs 1 sobs
1 fobs 2 sobs
2 fobs 1 sobs
2 fobs 2 sobs
Forc
es (N
)
0
220
440
660
880
1100
Mom
ents
(Nm
)
Fres,max Mres,max
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Forces et moments
Introduction ConclusionsModélisation Résultats
fobs: first order balance shaft(s) (rotating at the crankshaft speed)sobs: second order balance shaft(s) (rotating at twice the crankshaft speed)
• Monocylindre course courte
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Forces et moments
Introduction ConclusionsModélisation Résultats
0
2500
5000
7500
10000
12500
originaldata
opti.crank
2 fobs 1 fobs 2 sobs 1 fobs 1 sobs
1 fobs 2 sobs
2 fobs 1 sobs
2 fobs 2 sobs
Forc
es (N
)
0
220
440
660
880
1100
Mom
ents
(Nm
)
Fres,max Mres,max
• Monocylindre longue course
fobs: first order balance shaft(s) (rotating at the crankshaft speed)sobs: second order balance shaft(s) (rotating at twice the crankshaft speed)
0
5000
10000
15000
20000
25000
originaldata
opti.crank
2 fobs 1 fobs 2 sobs 1 fobs 1 sobs
1 fobs 2 sobs
2 fobs 1 sobs
2 fobs 2 sobs
Forc
es (N
)
0
440
880
1320
1760
2200
Mom
ents
(Nm
)
Fres,max Mres,max
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Forces et moments
Introduction ConclusionsModélisation Résultats
• Bicylindre longue course en ligne en-phase
fobs: first order balance shaft(s) (rotating at the crankshaft speed)sobs: second order balance shaft(s) (rotating at twice the crankshaft speed)
Conc
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Forces et moments
Introduction ConclusionsModélisation Résultats
• Bicylindre longue course en ligne déphasé
fobs: first order balance shaft(s) (rotating at the crankshaft speed)sobs: second order balance shaft(s) (rotating at twice the crankshaft speed)
0
5000
10000
15000
20000
25000
originaldata
opti.crank
2 fobs 1 fobs 2 sobs 1 fobs 1 sobs
1 fobs 2 sobs
2 fobs 1 sobs
2 fobs 2 sobs
Forc
es (N
)
0
440
880
1320
1760
2200
Mom
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(Nm
)
Fres,max Mres,max
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Forces et moments
Introduction ConclusionsModélisation Résultats
• Bicylindre longue course boxer déphasé
fobs: first order balance shaft(s) (rotating at the crankshaft speed)sobs: second order balance shaft(s) (rotating at twice the crankshaft speed)
0
5000
10000
15000
20000
25000
originaldata
opti.crank
2 fobs 1 fobs 2 sobs 1 fobs 1 sobs
1 fobs 2 sobs
2 fobs 1 sobs
2 fobs 2 sobs
Forc
es (N
)
0
440
880
1320
1760
2200
Mom
ents
(Nm
)
Fres,max Mres,max
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Forces et moments
Introduction ConclusionsModélisation Résultats
• Bicylindre longue course boxer en-phase
fobs: first order balance shaft(s) (rotating at the crankshaft speed)sobs: second order balance shaft(s) (rotating at twice the crankshaft speed)
0
5000
10000
15000
20000
25000
originaldata
opti.crank
2 fobs 1 fobs 2 sobs 1 fobs 1 sobs
1 fobs 2 sobs
2 fobs 1 sobs
2 fobs 2 sobs
Forc
es (N
)
0
440
880
1320
1760
2200
Mom
ents
(Nm
)
Fres,max Mres,max
Reference levelof moments
Reference level of force
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Comparaison
Introduction ConclusionsModélisation Résultats
• Comparaison des différents bicylindres longues courses avec un niveau de référence (quatre cylindres équivalent)
fobs: first order balance shaft(s) (rotating at the crankshaft speed)sobs: second order balance shaft(s) (rotating at twice the crankshaft speed)
0 100 200 300 400 500 600 700
0
20
40
60
80
100
120
140
160
180
200Gas pressure in one cylinder
Crank angle (°)
Gas
pre
ssur
e (b
ar)
1000 rpm2000 rpm3000 rpm4000 rpm
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Pression des gaz
Introduction ConclusionsModélisation Résultats
• Pression des gaz dans un cylindre pour diverses vitesses
0 100 200 300 400 500 600 700
-8
-6
-4
-2
0
2
4
6
8
x 104 Forces in the direction of the cylinder (4000 rpm)
Angular crankshaft position (°)
F x (N)
Fx inertia
Fx gas pressure
Fxtotal
• Forces d’inertie et forces due aux gaz dans le monocylindre (course courte)
0 100 200 300 400 500 600 700
-400
-200
0
200
400
600
800
1000
1200
Engine torque (1000 rpm)
Crank angle (°)
Torq
ue (N
m)
Instant torqueAverage torque
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Pression des gaz
Introduction ConclusionsModélisation Résultats
• Pas d’effet de la force des gaz sur l’équilibrage
• Couple du monocylindre (course courte) en fonction de l’angle du vilebrequin (1000 rpm)
0 100 200 300 400 500 600 700
-400
-200
0
200
400
600
800
1000
1200
Engine torque (4000 rpm)
Crank angle (°)
Torq
ue (N
m)
Instant torqueAverage torque
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
0 1000 2000 3000 4000 5000
Engine speed (rpm)
Torq
ue (N
m)
0
10
20
30
Pow
er (k
W)
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Pression des gaz
Introduction ConclusionsModélisation Résultats
• Couple du monocylindre (course courte) en fonction de l’angle du vilebrequin (4000 rpm)
• Couple et puissance du monocylindre (course courte)
0 100 200 300 400 500 600 700
-400
-200
0
200
400
600
800
1000
1200
Engine torque (4000 rpm)
Crank angle (°)
Torq
ue (N
m)
Instant torqueAverage torque
0 100 200 300 400 500 600 700
-400
-200
0
200
400
600
800
1000
1200
Engine torque (4000 rpm)
Crank angle (°)
Torq
ue (N
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Instant torqueAverage torque
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Pression des gaz
Introduction ConclusionsModélisation Résultats
• Couple d’un moteur bicylindre (course courte) en phase (en ligne ou boxer)
• Couple d’un moteur bicylindre (course courte) en phase (en ligne ou boxer)
0
20
40
60
80
100
120
140
160
180
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0 1000 2000 3000 4000 5000
Engine speed (rpm)
Torq
ue (N
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0
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40
50
60
70
Pow
er (k
W)
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80
100
120
140
160
180
0 1000 2000 3000 4000 5000
Engine speed (rpm)
Torq
ue (N
m)
0
10
20
30
40
50
60
Pow
er (k
W)
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Pression des gaz
Introduction ConclusionsModélisation Résultats
• Couple et puissance des bicylindres courses courtes
• Couple et puissance des bicylindres longues courses
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Analyse de sensibilité
Introduction ConclusionsModélisation Résultats
• Variation des forces et moments d’inertie des différents moteurs bicylindres en fonction de différents paramètres (ici, la longueur de bielle)
-30
-20
-10
0
10
20
30
40
-20 -10 0 10 20
Variation of connecting rod length (%)
Varia
tion
(%)
Force Moment
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Analyse de sensibilité
• Paramètres influençant positivement l’équilibrage:
– Réduction de la masse des pièces oscillantes (piston et bielle)
– Allongement de la bielle (réduction des efforts du second ordre)
– Réduction de l’entraxe des cylindres (réduction des moments)
Introduction Modélisation Résultats Conclusions
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Conclusions
Introduction Modélisation Résultats Conclusions
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Conclusions
• Chaque type de moteur bicylindre dans sa configuration de base subit deux types de sollicitations– Forces du premier et second ordre pour le moteur en ligne en-
phase– Forces du second ordre et moment du premier ordre pour le
moteur en ligne déphasé– Forces du premier ordre et moment du second ordre pour le
moteur boxer déphasé– Moments du premier et second ordre pour le moteur boxer en-
phase
• Ces efforts peuvent être réduits en modifiant le vilebrequin ou en ajoutant des arbres d’équilibrage
Introduction Modélisation Résultats Conclusions
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Conclusions
• Les configurations équilibrées (au niveau du quatre cylindres de référence) intéressantes sont:– Moteur boxer en-phase avec vilebrequin modifié et entraxe
réduit– Moteur en ligne déphasé avec vilebrequin modifié et un arbre
d’équilibrage du premier ordre– Moteur boxer déphasé avec deux arbres d’équilibrage du
premier ordre et entraxe réduit– Moteur en ligne en-phase avec deux arbres d’équilibrage du
premier ordre
• Les configurations déphasées nécessitent d’avoir un plus gros volant d’inertie et ont une sonoritéinhabituelle
Introduction Modélisation Résultats Conclusions
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Perspectives
• Intérêt actuel pour moteur bicylindre• Intérêt particulier pour moteur boxer en-phase
– Forces d’inertie nulle– Equilibrage facile et peu coûteux– Compacité et centre de gravité bas
• Perspectives et développements futurs– Etude de la dynamique avec un modèle éléments finis– Modélisation des jeux, des paliers– Prise en compte d’éléments supplémentaires (bloc moteur,
volant d’inertie…)– Modélisation des supports du moteur et calcul des efforts
transmis au véhicule
Introduction Modélisation Résultats Conclusions
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Merci pour votre attention
Introduction Modélisation Résultats Conclusions
![[tel-00794100, v1] Conception optimale des moteurs à ...l2ep.univ-lille.fr/fileupload/file/theses/These_Dan_Ilea.pdfConception optimale des moteurs à réluctance variable à commutation](https://img.pdfslide.fr/doc/110x75/61462ec78f9ff81254201990/tel-00794100-v1-conception-optimale-des-moteurs-l2epuniv-lillefrfileuploadfilethesesthesedanileapdf.jpg)
