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Transports Durables et Mobilité (TDM)
Edition 2012


MACDOC


Moteur à Allumage Commandé Downsizé à taux en Oxygène Contrôlé

Moteur à Allumage Commandé Downsizé à taux en Oxygène Contrôlé
Moteur à Allumage Commandé Downsizé dont la concentration en oxygène de l’air d’admission est contrôlée par un dispositif de filtration membranaire.

Compréhension des phénomènes physico-chimiques de la combustion de prémélange fortement diluée et impact sur le fonctionnement des moteurs à allumage commandé downsizés
La propulsion des automobiles est actuellement assurée et le sera encore durant quelques décennies par un moteur à combustion interne de type moteur à allumage commandé ou moteur Diesel. Les normes antipollution devenant de plus en plus contraignantes la dépollution des moteurs Diesel a rendu cette motorisation peu compétitive par rapport au moteur à allumage commandé et cela malgré un rendement bien supérieur à ce dernier. Afin d’améliorer substantiellement le rendement des moteurs à allumage commandé et donc de réduire la consommation en carburant et en émission de CO2, l’augmentation de la charge du moteur c’est-à-dire de la pression de l’air d’admission, couplée à une réduction de la taille du moteur sont des voies technologiques couramment retenues par les industriels mais aboutissant parfois à l’apparition de cliquetis et d’auto inflammation pouvant dégrader, voir détruire mécaniquement le moteur. Pour remédier à ce problème, la dilution par les gaz brulés de la combustion communément appelé EGR est envisagée.
Durant le projet MACDOC, nous nous sommes attachés à :
(1) améliorer les connaissances fondamentales de la combustion de pré-mélange fortement diluée et proposer de nouveaux schémas cinétiques permettant de décrire l’oxydation du carburant,
(2) évaluer le fonctionnement et les performances d’un moteur monocylindre suralimenté et dont les gaz d’admission ont été fortement dilués afin de fournir des nouvelles données expérimentales permettant de valider les simulations systèmes,
(3) proposer de nouveaux modèles de combustion prenant en compte la dilution des gaz frais fonction de la nature du diluant et d’intégrer ces nouveaux modèles dans un logiciel commercial,
(4) proposer une nouvelle technologie de filtration membranaire pour séparer l’oxygène et l’azote de l’air afin de diluer à l’azote l’air d’admission d’un moteur en développant des membranes polymères spécifiques au moteur à combustion interne.

Production et impact de l’oxygène sur la combustion de prémélange
La faisabilité de la filtration membranaire de l’oxygène et de l’azote présent dans l’air a été évaluée sur un prototype de filtre monté sur un banc de gaz synthétique. Une recherche des paramètres clés liée à la filtration membranaire a été réalisée incluant la surface de filtration, l’épaisseur de la membrane, le matériau et tenant compte des contraintes liées au fonctionnement du moteur à allumage commandé (débit et pression d’admission, température). Puis des essais moteurs ont été conduits sur un monocylindre de recherche dont la concentration des espèces chimiques de l’air d’admission a été parfaitement contrôlée (O2, N2, CO2, H2O) afin de simuler les gaz issus du filtre membranaire. L’influence de la concentration en oxygène sur les paramètres fondamentaux de la combustion a été caractérisée sur des dispositifs expérimentaux. D’autre part, les vitesses de flammes laminaires et turbulentes ont été mesurées sur des enceintes sphériques haute pression et haute température alors que les délais d’auto inflammation ont été évalués dans un microréacteur. Ainsi ces paramètres fondamentaux ont permis de construire de nouvelles corrélations qui ont été intégrées à un modèle 0D afin de prédire le fonctionnement d’un moteur à allumage commandé.

Résultats

La modélisation de la combustion nécessite de connaitre précisément la dépendance des paramètres fondamentaux tels que la vitesse de flamme ou le délai d’auto-inflammation à la composition de l’air en terme de concentration en O2, N2, CO2, H2. Les expériences menées ont permis de construire des corrélations qui ont été implémentées dans un logiciel commercial de simulation 0D (Amesim) et qui pourront être utilisées dans le cadre d’applications différentes telles que la simulation de brûleurs industriels, de chaudières, de turbines à gaz... D’autre part, la recherche de matériaux permettant l’optimisation de la filtration membranaire en terme de perméabilité et de sélectivité a été également réalisée. L’entreprise Polymem partenaire du projet a ainsi pu développer de nouvelles membranes composites.

Perspectives

Le projet ANR MACDOC a permis d’améliorer notablement les connaissances des phénomènes de combustion fortement diluée rencontrée dans les moteurs à allumage commandé de nouvelle génération. La filtration membranaire de l’air d’admission et des gaz d’échappement a été appréhendée. Le démonstrateur nous a permis de réaliser les premiers tests sur banc moteur. La société Polymem, en charge de ce développement continue actuellement le développement de nouveaux produits afin de répondre au besoin de la filtration gazeuse et espère s’ouvrir sur de nouveau marchés.

Productions scientifiques et brevets

Durant le projet, les résultats ont été publiés sous forme de conférences internationales et d’articles scientifiques. Ces publications ont également permis de valoriser le travail des deux doctorants qui ont participé au projet. Plus particulièrement, les mesures et corrélations des vitesses de flammes laminaires et turbulentes et la méthodologie permettant de déterminer les délais d’auto inflammation ont été diffusées et publiées dans 10 articles et conférences. L’impact de la composition et de la concentration des diluants sur le fonctionnement du moteur monocylindre a été publié dans des congrès SAE (Society of Automotive Engineers).

Partenaires

ICARE Institut de Combustion Aérothermique Réactivité et Environnement

IFPEN IFP Energies Nouvelles

PCA Peugeot Citroën Automobiles

Polymem Polymem SA

PRISME Institut Pluridisciplinaire de Recherche en Ingénierie des Systèmes, Mécanique et Energétique

Aide de l'ANR 1 023 196 euros
Début et durée du projet scientifique novembre 2012 - 42 mois

Résumé de soumission

Le Moteur à Allumage Commandé Downwsizé (MACD) est l'une des solutions les plus prometteuses pour réduire les émissions de CO2. Mais afin d’optimiser le fonctionnement de ce moteur quelque soit le point de charge du moteur, la dilution des gaz frais par des gaz brûlés (EGR) est la voie la plus envisagée pour diminuer les pertes par pompage, limiter les combustions anormales mais aussi les émissions de Nox... Cependant, la dilution obtenue par recirculation des gaz d’échappement nécessite un dispositif de refroidissement pour contrôler la température des gaz frais et peut entraîner un certain nombre de problèmes technologiques tels que ceux liés à la condensation de la vapeur d’eau et à l’encrassement du circuit EGR. De plus, la maitrise de la composition des gaz recirculés et le temps de réponse de la boucle EGR peuvent perturber la gestion du contrôle moteur.
Une nouvelle autre voie est explorée dans le cadre de MACDOC : contrôler la concentration en oxygène in-situ grâce à la technologie des membranes en polymère. Cela pourrait permettre de simplifier la boucle de dilution des gaz d’admission, voire de l’éviter et de répondre en partie aux différents verrous technologiques qui sont encore à lever, tels que l’augmentation du rendement, la maitrise des combustions anormales et des fortes fluctuations cycle à cycle, l'adéquation MACD - carburants alternatifs (GNV, alcools...) et l'hybridation des véhicules nécessitant une optimisation critique des émissions polluantes réglementées ou non-réglementées liée aux arrêts plus fréquents du moteur thermique.

Le projet de recherche MACDOC (Moteur à Allumage Commandé Downsizé à taux d’Oxygène Contrôlé) vise ainsi à évaluer, expérimentalement puis par une simulation système, le potentiel de l'appauvrissement en oxygène de l'admission d'un MACD. Une phase exploratoire sur monocylindre permettra de déterminer le potentiel du contrôle de la concentration en oxygène sur les combustions anormales en moyenne et forte charge et sur l’adéquation carburant-moteur sur des points caractéristiques stabilisés (PRISME-PCA). En parallèle, un démonstrateur de système de filtration par membrane sera réalisé par la PME Polymem, spécialiste des membranes en polymères. Pour cela, un caractérisation de sélectivité de membranes vis à vis de l’oxygène et de l’azote sera réalisée et permettra de déterminer la surface idéale à obtenir pour satisfaire les contraintes de perte de charge, d’encombrement et de concentration en oxygène de l’air d’admission d’un MACD. Comme la variation de la teneur en oxygène influence fortement les paramètres caractéristiques de la combustion de type prémélange qui se développe dans les MACD, une caractérisation fine des vitesses de flamme laminaire, des délais d’auto-inflammation et des vitesses de propagation turbulentes seront réalisée à partir de dispositifs originaux tels qu’une enceinte sphérique, un micro-tube et une enceinte sphérique à taux de turbulence contrôlé (ICARE-PRISME).
L’ensemble de ces résultats sera enfin capitalisé sous la forme d’un modèle système réalisé sous AMESim par l’IFPEN. Ce modèle permettra de réaliser des simulations moteur et véhicule permettant d'évaluer le potentiel du contrôle du taux d'oxygène sur différents cycles de conduite. Enfin, une tâche exploratoire sera consacrée pour évaluer l’impact d’un enrichissement en CO2 de l’admission, 1ère phase à une éventuelle séquestration in situ du CO2 émis par un GMP.

 

Programme ANR : Transports Durables et Mobilité (TDM) 2012

Référence projet : ANR-12-VPTT-0008

Coordinateur du projet :
Monsieur Fabrice Foucher (Institut Pluridisciplinaire de Recherche en Ingénierie des Systèmes, Mécanique et Energétique)
fabrice.foucher@nulluniv-orleans.fr

 

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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.