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Mobilité durable et systèmes de transport (DS0603)
Edition 2014


ECN FRANCE


Vers des moteurs propres et efficaces: contribution de la FRANCE au réseau ECN

ECN France
Vers des moteurs propres et économes : la contribution de la France au réseau ECN

Le développement des moteurs propres et économes de demain exige une collaboration internationale efficace: le réseau pour la combustion moteur (Engine Combustion Network : ECN)
Disposer d’outils de développement avancés tels que la simulation (Computational Fluid Dynamics : CFD) est indispensable pour développer des systèmes de combustion moteur propres et economes pour les véhicules. Mais l’efficacité de ces outils de simulation dépend entièrement de leur capacité a prédire précisément le monde réel. Cela dépend donc de la qualité des modèles physiques qu’ils emploient et donc du degré de compréhension des phénomènes physiques qui se produisent dans les chambres de combustion. Cette compréhension est généralement fourni par des diagnostics optiques avancés car ils sont en mesure de fournir des mesures in situ de paramètres physiques lors de la combustion. Cependant, la complexité des phénomènes qui se produisent dans une chambre de combustion est telle que l'obtention d'une description complète nécessite une quantité de travail qui ne peut pas être atteinte par un effort isolé. Pour cette raison, un groupe de laboratoires internationaux, l'ECN (http://www.sandia.gov/ecn/), a décidé de s’unir dans un effort de recherche international collaboratif visant à développer une base de données internationale permettant de fournir les données de validations indispensables au développement des modèles pour la CFD. La proposition de projet ECN France est positionnée dans ce contexte et vise à favoriser la participation de la communauté des laboratoires de combustion moteur français dans le réseau ECN, et de développer des diagnostics innovants pour la compréhension des phénomènes physiques de l’injection Diesel. L'un des points clés est que tous les partenaires impliqués dans le projet appliqueront les nouvelles méthodes de mesure sur une configuration commune, ce qui ouvre une perspective originale en terme d'informations complémentaires entre les techniques. L'adaptation de ces techniques aux conditions de pression et de température sévères du Spray A (la première condition cible d’ECN) sera un défi pour tous les partenaires.

Standardiser les équipements des laboratoires partenaires avant de développer et d'appliquer des diagnostics optiques avancés
Le projet regroupe quatre laboratoires de recherche qui ont développé une expertise dans le développement de diagnostics optiques avancées pour l'analyse de la combustion moteur: IFPEN, CORIA, EPEE et PPRIME. Le coordinateur du projet IFPEN, Gilles Bruneaux, est également coordonnateur principal des activités ECN au niveau international. Le premier objectif du projet sera de standardiser les conditions expérimentales des équipements de chaque partenaire, afin de veiller à ce que toutes les expériences soient ensuite réalisées dans des conditions similaires et puissent compléter une base de données commune. Une fois que cet effort de consolidation sera effectué, les partenaires appliqueront des techniques de mesure avancées pour obtenir des informations détaillées sur les processus physiques qui se produisent au cours de l'atomisation, de l’évaporation du spray puis de sa combustion et de la formation de polluants. Enfin, les résultats obtenus au cours du projet seront partagés au sein du réseau ECN et ajoutés à la base de données internationale.

Résultats

Au cours de la première année et demie du projet, l'objectif principal du travail était d’obtenir des conditions de fonctionnement communes et standardisées pour tous les partenaires du projet. En effet, la participation à ECN nécessitant un effort de standardisation pour permettre de partager les résultats, la première tâche du projet a été consacrée à cet effort de consolidation et a impliqué tous les partenaires. Tous les partenaires disposent d’un dispositif expérimental qui doit être adapté afin d'atteindre les conditions cible ECN, nommées 'Spray A', représentatives des conditions rencontrées dans les systèmes de combustion de diesel d'aujourd'hui. IFPEN utilise une cellule à précombustion, CORIA une cellule a débit constant, EPEE un moteur mono-coup et PPRIME une machine à compression rapide. Etant donné que IFPEN participe aux travaux ECN depuis la création du réseau, son expérience en matière de standardisation est utilisé comme référence pour le projet. IFPEN donc acheté 10 injecteurs nominalement identiques et correspondant aux spécification Spray A, et a effectué une caractérisation détaillée de ces injecteurs avant de les envoyer aux autres partenaires du projet. Au cours de ce travail, d'importants progrès concernant la compréhension de l’effet du vieillissement sur l’injection ainsi que sur l'origine des fluctuations de concentration en suies dans le jet ont également été obtenus. Les trois autres partenaires ont adapté leur configuration à celle des conditions Spray A et ont commencé à caractériser leur équipements en comparant les résultats obtenus avec les injecteurs envoyés par IFPEN aux résultats IFPEN. Excepté le laboratoire CORIA pour lesquels des ajustements supplémentaires seront encore nécessaires pour atteindre les conditions Spray A, les deux laboratoires PPRIME et EPEE ont réussi à atteindre les conditions cibles, ouvrant la voie à l'application de diagnostics optiques avancés.

Perspectives

Maintenant atteinte la cible des conditions Spray, IFPEN, PPRIME et EPEE appliquerons au cours de la seconde moitié du projet des diagnostic optiques avancés pour accroitre notre compréhension des processus régissant la formation du mélange et la combustion du jet Diesel. En particulier IFPEN mettra l'accent sur la compréhension du processus d'allumage et son lien avec la formation du mélange. PPRIME évaluera le potentiel d'une nouvelle technique, la Background Oriented Shlieren pour l’étude de l’atomisation et de la formation du mélange. EPEE évaluera le potentiel de l’utilisation de sources de rayons X sur table pour l’application de technique avancées d’absorption dans le moteur mono-coup aux conditions Spray A. Au CORIA des travaux supplémentaires seront effectués pour atteindre les conditions cibles du spray A dans la cellule a volume constant. En parallèle, un nouveau dispositif expérimental a été monté afin d’étudier le potentiel de plusieurs diagnostics optiques avancés à l'étude de l’évaporation supercritique.

Productions scientifiques et brevets

Bardi, M., Bruneaux, G., and Malbec, L., «Study of ECN Injectors’ Behavior Repeatability with Focus on Aging Effect and Soot Fluctuations,« SAE Technical Paper 2016-01-0845, 2016, doi:10.4271/2016-01-0845.

Partenaires

CNRS CORIA Complexe de Recherche Interprofessionnel en Aérothermochimie

ENSMA ENSMA/Institut PPrime

EPEE Fédération de Recherche Energie Propulsion Espace et Environnement

IFPEN IFP Energies Nouvelles

Aide de l'ANR 582 038 euros
Début et durée du projet scientifique octobre 2014 - 42 mois

Résumé de soumission

Les outils de simulation numérique sont nécessaires pour développer des systèmes de combustions propres et efficaces pour les véhicules. Mais leur efficacité dépend fortement du degré de compréhension des phénomènes physiques se déroulant dans les chambres de combustion. Cependant la complexité des phénomènes rencontrés est telle qu'en obtenir une description complète nécessiterait une quantité de travail qui n'est pas réalisable par des efforts isolés. C'est pour cette raison qu'un groupe de laboratoires internationaux, le réseau ECN, a décidé d'unir ces efforts dans un projet collaboratif de constitution d'une base de données internationale.
Le projet ECN FRANCE est positionné dans se contexte et vise à initier la participation de la communauté française de recherche en combustion moteur au réseau ECN. Le projet regroupe quatre laboratoires ayant développé une expertise reconnue dans le domaine des diagnostics optiques avancés pour la combustion moteur: IFPEN, CORIA, EPEE et PPRIME.

 

Programme ANR : Mobilité durable et systèmes de transport (DS0603) 2014

Référence projet : ANR-14-CE22-0015

Coordinateur du projet :
Monsieur Gilles Bruneaux (IFP Energies Nouvelles)

 

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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.