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Aérodynamique et Sprays durant les TRansitoires en Injection Directe Essence – ASTRIDE

Aerodynamique et Sprays durant les TRansitoires en Injection Directe Essence

Vers une meilleure compréhension des interactions entre spray et aérodynamique dans le contexte du fonctionnement transitoire des moteurs à injection directe essence

Enjeux et objectifs

L'injection directe essence (IDE) fait partie des technologies ayant un fort potentiel pour l'amélioration du rendement des moteurs à allumage commandé. Au vu de l'évolution des normes, les phases transitoires vont jouer un rôle de plus en plus critique et des travaux récents ont montré que ces phases transitoires sont responsables d'importantes émissions de particules en fonctionnement IDE. Les raisons exactes en sont mal connues, et les techniques de conception classiques ayant prouvé leur efficacité pour l'optimisation de points moteur IDE stabilisés ne permettent pas de les maîtriser. Dans ce contexte, l'objectif d'ASTRIDE est de contribuer à une meilleure compréhension de la préparation du mélange et tout particulièrement de la formation de films liquides durant les transitoires à froid de moteurs thermiques à injection directe essence.

Le travail fortement innovant proposé dans ASTRIDE repose sur l'utilisation combinée d'outils expérimentaux et de simulations pour l'étude des transitoires en monocylindre IDE, en rupture avec les approches classiques. Ces travaux profiteront en particulier du développement novateur d'une technique d'analyse de mesure de vitesse rapide (PIV) pour quantifier l'aérodynamique transitoire, et d'une méthodologie de simulations aux grandes échelles (LES) pour les transitoires moteur. Ils seront appuyés par des travaux expérimentaux et de modélisation concernant la caractérisation de sprays générés par des injecteurs multi-trou de dernière génération, leur impact sur une paroi, la formation et l'évolution d'un film, et de son évaporation en situation simplifiée représentative de l'IDE.
La compréhension ainsi acquise des spécificités de l'interaction aérodynamique chambre et spray en transitoires IDE, et de leur impact sur la formation et l'évolution de films, sera capitalisée sous forme de modèles pour la simulation système. Au final, ces développements permettront une amélioration significative des outils de conception. Ils pourraient contribuer à terme à l'émergence de motorisations IDE présentant des niveaux de production de particules à la source suffisamment faibles pour éviter les impacts négatifs en terme de coût et de rendement entraînés par le recours à des systèmes de post-traitement.

Caractérisation de l’injection et des interactions spray/paroi :
La base de données expérimentale et numérique sur l’injection directe essence, les mesures et résultats de calcul en champ proche injecteur ont été livrés. La base de données expérimentale sur les mesures des interactions spray/paroi a été livrée. Ces résultats permettent le calage de l’injection pour les calculs moteur effectués en 5.2 et aussi permettent de valider la dynamique de l’interaction spray/paroi du modèle développé en 3.3.

Développements et validations modèle de film liquide évaporant :
Durant la période considérée, la technique de mesure de concentration au voisinage du film liquide évaporant a été développée (tâche 3.2). Les premiers résultats acquis sont encourageants et permettent à présent d’envisager leur exploitation en vue de valider le modèle de film liquide développé dans la tâche 3.3.

Exploration et analyse expérimentale de l’aérodynamique des transitoires moteur :
Les travaux expérimentaux sur les mesures de l’aérodynamique turbulente durant les transitoires ont également bien avancés avec la réalisation de premières séries d’acquisition PIV en transitoires dans la phase 4.1. L’outil d’analyse EMD2D est en cours d’évaluation sur ces données de PIV. On peut à présent envisager des comparaisons quantitatives de simulations LES avec ces résultats durant la tâche 5.2.

Développement d’un couplage fort 1D /3D LES pour les transitoires moteur :
L’outil prototype pour le couplage 1D/3D LES a été mis en œuvre sur des points de fonctionnement stabilisé froid. La mise en données de premiers points de calcul en transitoires a été effectuée et les calculs seront réalisés durant la seconde moitié de l’année 2015.

Dans la dernière partie du projet, des modèles 0D seront développés. En particulier, il a été identifié dans une première partie de ce travail, des limitations dans la formulation du modèle de turbulence utilisé actuellement. Il s'agit un point crucial car la vitesse de combustion en dépend directement. L'effort de modélisation dans cette phase portera donc principalement sur l'amélioration de ce modèle de turbulence, en s'appuyant sur l'analyse de résultats de calcul 3D, ce qui est parfaitement en phase avec le contexte du projet.
Les améliorations ainsi apportées pourront être exploitées dans des études ultérieures visant à prédire le déroulement de la combustion durant les transitoires, et notamment l'impact de ceux-ci sur les émissions de polluants.

Bivariate EMD behavior for separating coherent structures from interference fluctuations in homogeneous isotropic turbulence, M. Sadeghi, K. Abed-Meraim, F. Foucher, C.Mounaïm-Rousselle, Submitted to Progress in Turbulence.

Measurements of

L'injection directe essence (IDE) fait partie des technologies ayant un fort potentiel pour l'amélioration du rendement des moteurs à allumage commandé. Au vu de l'évolution des normes, les phases transitoires vont jouer un rôle de plus en plus critique et des travaux récents ont montré que ces phases transitoires sont responsables d'importantes émissions de particules en fonctionnement IDE. Les raisons exactes en sont mal connues, et les techniques de conception classiques ayant prouvé leur efficacité pour l'optimisation de points moteur IDE stabilisés ne permettent pas de les maîtriser. Dans ce contexte, l'objectif d'ASTRIDE est de contribuer à une meilleure compréhension de la préparation du mélange et tout particulièrement de la formation de films liquides durant les transitoires à froid de moteurs thermiques IDE.
Le travail fortement innovant proposé dans ASTRIDE repose sur l'utilisation combinée d'outils expérimentaux et de simulations pour l'étude des transitoires en monocylindre IDE, en rupture avec les approches classiques. Ces travaux profiteront en particulier du développement novateur d'une technique d'analyse de mesure de vitesse rapide (PIV) pour quantifier l'aérodynamique transitoire, et d'une méthodologie de Simulations aux Grandes Échelles (LES) pour les transitoires moteur. Ils seront appuyés par des travaux expérimentaux et de modélisation concernant la caractérisation de sprays générés par des injecteurs multi-trou de dernière génération, leur impact sur une paroi, la formation et l'évolution d'un film, et de son évaporation en situation simplifiée représentative de l'IDE.
La compréhension ainsi acquise des spécificités de l'interaction aérodynamique chambre et sprays en transitoires IDE, et de leur impact sur la formation et l'évolution de films, sera capitalisée sous forme de modèles pour la simulation système. Au final, ces développements permettront une amélioration significative des outils de conception. Ils pourraient contribuer à terme à l'émergence de motorisations IDE présentant des niveaux de production de particules à la source suffisamment faibles pour éviter les impacts négatifs en terme de coût et de rendement entraînés par le recours à des systèmes de filtration.

Coordinateur du projet

Monsieur Stéphane Jay (IFP Energies Nouvelles) – Stephane.Jay@ifpen.fr

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.

Partenaire

CONTINENTAL Continental Automotive France SAS
CETHIL Centre de Thermique de Lyon
PRISME Laboratoire Pluridisciplinaire de Recherche en Ingénierie des Systèmes, Mécanique et Energétique
RSA Renault SAS
PCA PEUGEOT CITROËN AUTOMOBILES SA
IFPEN IFP Energies Nouvelles

Aide de l'ANR 1 521 023 euros
Début et durée du projet scientifique : décembre 2012 - 48 Mois

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