Impact des carburants oxygénés sur les émissions des moteurs essence – OFELIE

En 2025, le moteur allumage commandé hybridé équipera encore une grande partie des véhicules légers. La technologie injection directe essence (IDE) permet de réduire ses émissions de CO2 mais présente des émissions de suies élevées dues à un feu de nappe initié par le film d’essence généré lors de l’injection. Un second levier de réduction du CO2 est le remplacement progressif des carburants fossiles par de l’ethanol dans un premier temps, puis des bio-fuels oxygénés dans un second temps. Toutefois, ces carburants oxygénés présentent des émissions accrues d’aldéhydes et de NOx par rapport à un carburant actuel. Afin d’améliorer ce type de motorisation les constructeurs ont donc besoin d’un outil de calcul 3D (ou CFD en anglais) intégrant simultanément ces trois polluants. Un tel outil n’existe pas aujourd’hui : les modèles actuels permettent de décrire l’évolution de la pression cylindre mais les modèles de suies employés sont peu prédictifs et les voies de formation des NOx et des aldéhydes induites par les carburants oxygénés ne sont pas décrites dans les mécanismes cinétiques. Le projet OFELIE propose une recherche collaborative intégrant des études complémentaires visant à développer un tel modèle.
Pour cela, on propose de représenter le carburant oxygéné par un mélange (iso-octane/n-heptane/toluene) représentant l’essence standard, auquel on rajoute l’éthanol pour représenter les essences de type E10 à E100, ou le butanol, comme molécule représentative des bio-carburants oxygénés. Cette essence modèle sera utilisée pour toutes les expériences et calcul du projet, permettant ainsi une validation du modèle à chaque étape. Dans un premier, des expériences de flamme laminaire suitées seront réalisées au laboratoire PC2A pour mesurer les aldehydes, les suies ainsi que leurs précurseurs, les HAP grâce à des diagnostiques avancés (jet cooled LIF, LII, CRDS…). Les émissions de suies seront aussi mesurées sur des flammes de diffusion faiblement turbulentes, plus proches du feu de nappe. Ces mesures seront enfin utilisées au laboratoire LRGP pour développer un mécanisme cinétique complet du carburant modèle incluant ces espèces. Le code de génération automatique de schémas EXGAS du LRGP sera utilisé ainsi que des calculs de chimie quantique pour les réactions clés du mécanisme.
Le calcul CFD d’un feu de nappe en conditions moteur n’a jamais été investigué avec soin et requiert plusieurs sous-modèles difficiles à valider (modèle de film et de son déplacement sur la paroi, modèle de formation des suies). C’est pourquoi une expérience inédite sera montée à l’IFPEN reproduisant un jet essence impactant sur une plaque plane, la propagation de flamme jusqu’à la plaque, puis la formation du feu de nappe au-dessus de la plaque. Des diagnostics optiques seront permettront de mesurer l’épaisseur de film (2D-UV absorption, RIM) ainsi que la répartition des suies au-dessus du feu de nappe (2D-DBI). Ces expériences seront ensuite utilisées à l’IFPEN pour valider et mettre au point le modèle de film ainsi que le modèle de suies par approche sectionnelle développé dans le précédent ANR ASMAPE et utilisant le mécanisme cinétique développé au LRGP dans ce projet. Ces calculs CFD seront réalisés en approche RANS (Reynolds Averaged Navier-Stokes), le standard utilisé par les constructeurs aujourd’hui, mais aussi en LES (Large Eddy Simulation), approche permettant une description plus fine des phénomènes. Tous les calculs et développements d’IFPEN seront réalisés dans le code commercial CONVERGE de CSI. Ce code est aussi celui utilisé au quotidien par PSA et Renault pour développer leurs moteurs, permettant ainsi un passage quasi immédiat du projet de recherche OFELIE à l’application industrielle. Enfin, l’ensemble de ces mécanismes et modèles seront évalués sur des bases moteur IDE de PSA, Renault et IFPEN permettant de mesurer les progrès réalisés par OFELIE dans les prédiction des suies, NOx et aldéhydes.