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Transports Durables et Mobilité (TDM)
Edition 2012


FAMAC


Fondamentaux d’Allumage pour Moteurs à Allumage Commandé

Fondamentaux d’Allumage pour Moteurs à Allumage Commandé pour le 95g CO2/km en Europe en 2020 et respectant les normes d'émissions les plus sévères
Deux axes pour obtenir des gains en CO2 sont l'application de forts taux d'EGR afin d’augmenter le taux de compression et d’éloigner la limite de cliquetis et la combustion stratifiée. La stabilité d'initiation de la combustion est le facteur limitant pour ces modes de combustion.
Les besoins d'allumage sont très dépendent du système de combustion considéré. La taille et la durée de l’étincelle et l’évolution temporelle de l’énergie transmise vers le gaz sont des paramètres prépondérants.

Il est essentiel de comprendre la chaîne énergétique de l’électronique de puissance à travers l’arc jusqu’à l’initiation de la combustion.
Pour développer un système d'allumage performant à un coût acceptable pour l’industrie automobile, il est important d’éviter toute rupture technologique en conservant les systèmes par arc. Il est essentiel de comprendre la chaîne énergétique de l’électronique de puissance à travers l’arc jusqu’à l’initiation de la combustion. Cette connaissance reste insuffisante aussi bien en milieu industriel qu’en recherche fondamentale.
De nombreux modèles d’allumage se résument à un dépôt d’énergie, et même les plus sophistiqués ne rendent pas compte de tous les effets observés et couplés, voir même des principaux effets pour le motoriste. La difficulté réside dans la modélisation du plasma chaud et dans le couplage allumage – noyau. De l’état de l’art actuel et de nos expériences, il nous faut comprendre les mécanismes physiques et chimiques qui interviennent dans le dépôt de l’énergie nécessaire pour atteindre dans le volume d’allumage la température d’initiation de la réaction. De plus, une fois la réaction amorcée, il nous faut garantir la bonne propagation du front de flamme en tenant compte des pertes thermiques à la surface du noyau.

Le verrou principal se résume par : «Quelles doivent être les caractéristiques de l’arc pour permettre une initiation optimale de la combustion de mélanges fortement dilués ?«

FAMAC est donc un projet de recherche fondamentale qui vise à la compréhension de la physique de l’arc, du transfert de chaleur et de radicaux vers le gaz inflammable et de l'initiation de la combustion dans une approche intégrant différents niveaux de modélisation, de simulation et de validation expérimentale. Il permettra d’identifier les paramètres clés pour la conception des futurs systèmes d'allumage.

FAMAC vise à la compréhension de la physique de l’arc intégrant différents niveaux de modélisation, de simulation et de validation expérimentale.
L’approche originale du projet consiste à :
• Associer des instituts de recherche fondamentale et non automobile à un institut de recherche appliqué automobile et un industriel,
• Développer une approche intégrant l’approche modélisation plasma de l’arc avec l’écoulement turbulent pour mieux comprendre les mécanismes de transfert d’énergie et l’initiation de la combustion en milieu turbulent,
• Associer de la modélisation de différents niveaux avec des techniques expérimentales pointues pour une validation rigoureuse de chaque étape de modélisation:
- La spectroscopie d’émission permettra de caractériser la température vibrationnelle et rotationnelle du plasma
- La diffusion Raman spontanée permettra de mesurer les températures vibrationnelles et rotationnelles à la périphérie de l’arc et dans la post-décharge
- La visualisation par strioscopie rapide pour déterminer l’expansion hydrodynamique du gaz
- La Spectroscopie d’émission quantitative durant la phase d’étincelle afin de déterminer les espèces principales produites, la densité électronique et la température en fin de décharge
• Intégrer les maillons de la physique du plasma local jusqu’à l’allumage dans les moteurs dans une chaîne de méthodes de simulation adaptés et validées étape par étape : DNS plasma vers DNS chimie complexe vers DNS chimie simplifiée vers LES en géométrie complexe et chimie simplifiée,
• Extraire des exigences d’un système d’allumage innovant pour combustion fortement diluée.

Le projet se décompose en trois tâches principales fortement liées entre-elles:
- Caractérisation et validation des besoins d’un système d’allumage sur moteur monocylindre transparent (simulation et analyse expérimentale);
- Recherche fondamentale en géométrie simplifiée (simulation et analyse expérimentale);
- Recherche fondamentale en géométrie complexe (simulation et analyse expérimentale).

Résultats

Les résultats principaux sont à ce point :
• La caractérisation des conditions thermodynamiques et aérodynamiques lors de l’allumage dans le moteur
• L’évaluation des différents systèmes d’allumage en terme de stabilité d’allumage pour deux points de fonctionnement différents avec variation de la dilution air et EGR
• La documentation du fait que pour des points limités par la stabilité d’allumage, le paramètre principal est l’énergie totale fournie, indépendamment de la durée de l’étincelle (ns ou ms) et du nombre de claquages.
• La mise à disposition d'une banc de données pour les propriétés thermodynamiques et de transport pour des températures extrêmement élevées (<50000K) pour l'air et un mélange combustible.

Perspectives

La partie expérimentale sur banc moteur a fournie des résultats intéressants concernant la comparaison des différents systèmes d'allumage et sert à bien définir des conditions d'essai en bombe.
La partie expérimentale prévue pour caractériser la phase initiale de l’arc pose un certain nombre de challenges techniques importants en raison de l’échelle de temps extrêmement rapide qui requiert une acquisition de données à l’échelle de quelques ns. Une première difficulté non attendue est la découverte d’une instabilité temporelle du système d’allumage de série de l’ordre de grandeur de 1 micro s, 1000 fois la précision visée. Ce qui nous a amené à choisir comme expérience de référence pour la simulation et pour la partie expérimentale le système nano seconde du CORIA, opérant avec une précision satisfaisante.
La simulation du plasma a été développée pour le moment sur la base de données de la littérature, malheureusement incomplètes et ne permettant qu’une validation partielle.

Productions scientifiques et brevets

G. L. Pilla, L. de Francqueville, Stabilization of Highly Diluted Gasoline Direct Injection Engine using Innovative Ignition Systems, 1. SAE Birmingham
M. Castela, B. Fiorina, A. Coussement, O. Gicquel, N. Darabiha, C. Laux “Direct numerical simulations of pulsed discharges assisted combustion in quiescent and turbulent flow conditions” International Journal of energetic materials and chemical propulsion
C.O. Laux, D. Rusterholtz, D.A. Xu, M. Simeni, D. Pai, G. Pilla, D. Lacoste, G. Stancu, “Nanosecond Repetitively Pulsed Discharges for Plasma-Assisted Combustion,” 8th International Conference on Reactive Plasmas and 31st Symposium on Plasma Processing
Fukuoka, Japan

Partenaires

CERFACS Centre Européen de Recherche et de Formation Avancée en Calcul Scientifique

CNRS - CORIA CNRS - COmplexe de Recherche Interprofessionnel en Aérothermochimie

CAF Continental Automotive France SAS

IFPEN IFP Energies Nouvelles

CNRS - EM2C Laboratoire d'Energétique Moléculaire et Macroscopiq, Combustion

LAPLACE LAboratoire PLAsma et Conversion d’Energie

Aide de l'ANR 1 590 924 euros
Début et durée du projet scientifique octobre 2012 - 48 mois

Résumé de soumission

Le programme FAMAC se place dans un contexte de réduction des émissions de CO2 pour atteindre une valeur moyenne de 95g CO2/km pour la flotte de véhicules vendue en Europe à l'horizon 2020. Ce projet s’intègre dans la réduction des émissions de polluants EURO 6c à partir de 2017 et dans le respect de la prochaine norme EURO 7 qui reste à définir pour l’horizon après 2020.
Le « downsizing » des moteurs à allumage commandé associé à la combustion diluée est l’un des principaux axes identifié pour obtenir des gains en CO2. La mise en œuvre de forts taux d'EGR à moyenne et forte charge permet d’augmenter le taux de compression et d’éloigner la limite de cliquetis pour améliorer le rendement du moteur sur toute la zone de fonctionnement. La combustion stratifiée constitue un levier additionnel permettant d'envisager des forts taux d'EGR jusqu'aux très faibles charges, tout en maximisant le rendement énergétique.
L'état de l'art montre que la stabilité d'initiation de la combustion est le facteur limitant pour ces modes de combustion, réduisant fortement le gain CO2 à en attendre. Les recherches de Continental confirment cette difficulté d’initiation et démontrent que les besoins en matière d’initiation de la combustion sont très différents et dépendent du système de combustion considéré. Ses travaux montrent aussi le potentiel d’initiation de la combustion par arc électrique. La taille et la durée de l’étincelle interviennent autant que l’évolution temporelle de l’énergie transmise par l’étincelle vers le gaz.
Pour développer un système d'allumage performant à un coût acceptable pour l’industrie automobile, il est important d’éviter toute rupture technologique en conservant les systèmes par arc. Il est donc essentiel de comprendre la chaîne énergétique de l’électronique de puissance à travers l’arc jusqu’à l’initiation de la combustion. Cette connaissance reste insuffisante aussi bien en milieu industriel qu’en recherche fondamentale.

FAMAC est un projet de recherche fondamentale qui vise à la compréhension de la physique de l’arc, du transfert de chaleur et de radicaux vers le gaz inflammable et de l'initiation de la combustion dans une approche intégrant différents niveaux de modélisation, de simulation et de validation expérimentale. Il permettra d’identifier les paramètres clés pour la conception des futurs systèmes d'allumage. Ce projet se décompose en trois tâches principales fortement liées entre-elles :
- Caractérisation et validation des besoins d’un système d’allumage;
- Recherche fondamentale en géométrie simplifiée;
- Recherche fondamentale en géométrie complexe.

Certaines activités innovantes de recherche fondamentale effectuées dans le cadre d’un doctorat imposent pour le projet une durée de 4 ans. Le budget total du projet FAMAC s’élève à 3.6M€.

L'association d'un partenaire industriel (Continental) avec un institut de recherche appliqué (IFPEN) et les principaux experts du plasma et de l’allumage en France (LaPlace, EM2C, CORIA, CERFACS) garantit d'atteindre les livrables finaux du programme, à savoir des progrès significatifs:
- dans la modélisation détaillée de l’arc, du plasma (en- et hors-équilibre) et des mécanismes de transfert (chaleur et radicaux) vers le gaz en fonction du temps,
- dans la compréhension des facteurs clés pour l'optimisation de la fonction allumage dans les moteurs automobile.

 

Programme ANR : Transports Durables et Mobilité (TDM) 2012

Référence projet : ANR-12-VPTT-0002

Coordinateur du projet :
Monsieur Hans NUGLISCH (Continental Automotive France SAS)
hans.nuglisch@nullcontinental-corporation.com

 

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L'auteur de ce résumé est le coordinateur du projet, qui est responsable du contenu de ce résumé. L'ANR décline par conséquent toute responsabilité quant à son contenu.