ANR-06-PDIT-007-01

Ademe 0666C0123

SGEmac

Développements d'une méthodologie basée sur la

Simulation aux Grandes Echelles

pour la prédiction des variations cycliques dans les

moteurs à allumage commandé

Un projet de 3 ans, d'avril 2007 à mars 2010

Résumé

Les méthodes actuelles de simulation 3D appliquées aux moteurs à piston permettent la sélection qualitative et à moindre frais, en réduisant au minimum les essais sur banc, des géométries et solutions techniques les plus prometteuses en terme de réduction de la consommation et des émissions de polluants. Malgré leur emploi de plus en plus systématique, elles sont limitées à la prédiction de points moteur stables. Or, l'avènement de nouvelles technologies, tels les procédés de combustion CAI et HCCI, ou l'injection directe du carburant, entraîne souvent l'apparition de variabilités cycliques importantes, dont la source et l'amplitude ne sont pas accessibles aux méthodes de simulation actuelles.

SGEmac propose de développer une méthodologie de simulation de l'écoulement et de la combustion dans les moteurs à piston en rupture avec celles utilisées actuellement, et basée sur la Simulation aux Grandes Echelles (SGE). Celle-ci- est par nature adaptée à la simulation d'instationnarités hautes fréquences, permettant ainsi d'agrandir le champ d'application de la simulation moteur à la prédiction de l'apparition de variations cycliques, et de contribuer ainsi à la limitation de leur impact sur les émissions et la consommation des moteur à piston dès la phase de conception.

Pour atteindre cet objectif, une expérience de référence sur un monocylindre fonctionnant en allumage commandé à injection directe et indirecte homogène sera réalisée. Une instrumentation combinant capteurs de pression et diagnostics optiques avancés permettra de caractériser les détails du fonctionnement du moteur cycle à cycle. Des points moteur à faible variations cycliques serviront à valider extensivement les modèles SGE disponibles chez les partenaires, alors que des points moteur à fortes variations cycliques serviront à valider les méthodologies SGE développées dans le projet.

Enjeux scientifiques et techniques

La SGE pour les moteurs à piston est une technique hautement novatrice, à la pointe de la recherche dans le domaine de la combustion moteur. D'une part, elle a le potentiel de prédire de façon très détaillée et réaliste la combustion moteur, se rapprochant en cela d'une "expérience numérique". D'autre part, elle permet d'envisager de prédire des phénomènes tels les variations cycliques, toujours mal compris et inaccessibles aux méthodes de simulation actuelles.

SGEmac, en se basant sur les acquis des partenaires du projet en modélisation SGE des moteurs à piston, propose de démontrer le réel potentiel de la SGE, et de définir la méthode pour en tirer le meilleur parti pour une utilisation industrielle. En ce sens SGEmac se positionne clairement à la pointe de la recherche mondiale en SGE pour les moteurs à piston, et de son utilisation industrielle.

Outre les retombées en terme de méthodologie SGE, l'acquisition d'une base de donnée combinant cycle à cycle mesures globales et diagnostics détaillés, pourra contribuer à une meilleure compréhension de l'apparition de variations cycliques et de leurs causes détaillées.

Attentes économiques liées au projet

A moyen terme, SGEmac va contribuer à étendre le domaine d'application de la simulation 3D aux  variations cycliques dans les moteurs à allumage commandé, fortement limitantes pour des concepts moteur avancés, et inaccessibles aux méthodes de simulation actuelles. La meilleure compréhension de leurs causes, permet alors d"envisager de les minimiser dès les toutes premières phases de conception, et de limiter ainsi le recours à des développements de techniques de contrôles a posteriori.

A plus long terme, l'extension de la SGE à tous les types de moteur, ainsi que l'augmentation constante des puissances de calcul permet d'envisager l'émergence du "moteur virtuel", faisant appel à la SGE pour prédire quantitativement et sans recours à une connaissance expérimentale a priori, toutes les caractéristiques d'une chambre de combustion, aussi bien en opération stabilisée qu'en transitoire.

A moyen et long terme, la SGE devrait donc permettre de contribuer à repousser encore plus les limites en terme d'efficacité énergétiques et de polluants des futures motorisations des constructeurs français parties prenantes de ce projet. Ceci est de nature à contribuer à leur compétitivité dans un contexte mondial caractérisé par une sévérisation constante des normes et une concurrence de plus en plus marquée.