Convective Heat Transfer in a Pneumatic Hybrid Engine

Échange de chaleur convectif dans un moteur hybride pneumatique

Université d’Orléans, Institut Prisme, 8 rue Léonard de Vinci, 45072 Orléons Cedex 2 - France
e-mail: pascal.brejaud@univ-orleans.fr - pascal.higelin@univ-orleans.fr - alain.charlet@univ-orleans.fr - guillaume.colin@univ-orleans.fr - yann.chamaillard@univ-orleans.fr

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Abstract

Several previous studies have proven that pneumatic hybridization of an internal combustion engine is a technically viable and cost-efficient alternative to electric hybridization. Because the heat transfer process remains a first order factor while the engine operates in a motored or pneumatic mode without combustion, an accurate instantaneous heat transfer model is required in order to predict the in-cylinder pressure. This study shows that the original Woschni model is not suitable for describing the shape of the measured instantaneous heat flux versus crank angle while the engine operates in a motored pneumatic mode, because of the extinction of tumble motion near Top Dead Center (TDC). A modified form of the Woschni model is therefore proposed here that better describes the instantaneous heat flux during compression and expansion strokes, applicable to pneumatic and motored with fuel cut-off modes. First, the new constant parameter model is identified from experimental measurements performed in various motored mode conditions. Next, the pneumatic supercharged mode without combustion (ignition not performed) is investigated with the new model using the same identification values as for the motored mode. This study shows that the modified model remains fully applicable to the supercharged mode, despite of a certainly modified in-cylinder aerodynamic structure created by the opening of the charging valve under a high pressure ratio.

Résumé

Plusieurs études ont déjà montré que le concept d’hybride pneumatique est une alternative techniquement et économiquement viable à l’hybridation électrique. Malgré l’absence de combustion lors d’un fonctionnement en mode entraîné ou pneumatique, les échanges de chaleurs convectifs restent un facteur de premier ordre sur un bilan énergétique. Il faut donc disposer d’un modèle précis d’échange de chaleur instantané afin de prévoir la pression instantanée dans un cylindre du moteur. Cette étude montre que, à cause de l’extinction du mouvement de tumble à l’approche du point mort haut, la forme originale du modèle de Woschni n’est pas adaptée, pour un moteur opérant en mode pneumatique entraîné, à décrire la forme mesurée des échanges de chaleurs instantanés en fonction de l’angle vilebrequin. Les auteurs proposent une modification du modèle de Woschni décrivant plus fidèlement les échanges de chaleurs instantanés lors des courses de compression et de détente, applicable pour les modes pneumatique et entraîné avec coupure d’injection. En premier lieu, le nouveau modèle à paramètres constants est identifié à partir de mesures expérimentales effectuées en mode entraîné sous diverses conditions opératoires. Le mode suralimentation pneumatique sans combustion (allumage non déclenché) est alors étudié, en utilisant des valeurs de paramètres identiques à celles utilisées en mode entraîné. Cette étude montre que le modèle modifié reste pleinement applicable au mode suralimenté, et ceci malgré une certaine modification de la structure aérodynamique interne du cylindre créée par l’ouverture de la soupape de charge sous un haut rapport de pression.