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Réduction du cliquetis des moteurs : l’apport fondamental de la simulation LES : Anthony Robert, lauréat du Prix de thèse Yves Chauvin 2015

Décembre 2015

Anthony Robert a reçu le Prix de thèse Yves Chauvin 2015, jeudi 25 novembre 2015, des mains de Sébastien Candel, Président du Conseil scientifique d’IFP Energies nouvelles (IFPEN), pour sa thèse intitulée : "Simulation aux Grandes Échelles des combustions anormales dans les moteurs downsizés à allumage commandé ".
   

De gauche à droite : Eric Heintzé (IFPEN), Sébastien Candel (IFPEN), Pierre-Henri Bigeard (IFPEN), Anthony Robert (lauréat), Stéphane Richard (Turbomeca), Clément Dumand (PSA), Olivier Colin (IFPEN), Benoît Enaux (PSA).

La thèse d’Anthony Robert s’inscrit dans le cadre des recherches d’IFPEN visant à développer le downsizing, un concept de motorisation prometteur. Des travaux qui ont notamment donné lieu à un projet de recherche collaboratif ANR, ICAMDAC, associant des acteurs académiques (Institut de Mécanique des Fluides de Toulouse, PRISME Université d’Orléans) et industriels (Peugeot Citroën Automobiles, Renault SAS). L’objectif poursuivi ? Répondre à une double préoccupation environnementale et énergétique : la pollution de l’air et l’abaissement de la consommation des véhicules routiers[1].

Le downsizing combine la diminution de la cylindrée avec une suralimentation en air élevée, afin d’augmenter le rendement des moteurs à essence et de réduire leurs émissions de CO2. Les bénéfices attendus sont multiples :respect des futures normes sur les émissions de polluants, diminution de la consommation et amélioration des performances. Mais des phénomènes mal maîtrisés au niveau de la combustion entachent la fiabilité de cette innovation.

En effet, les conditions thermodynamiques plus sévères engendrées dans les moteurs downsizés favorisent l’apparition de combustions anormales (cliquetis et super-cliquetis), dues à des zones d’auto-inflammation de gaz frais en amont du front de flamme. Il s’ensuit des risques graves de casse mécanique, qui non seulement sont inacceptables mais qui compliquent en outre la résolution du problème puisqu’ils rendent très difficile une étude expérimentale.

La simulation numérique est un outil indispensable car elle permet d’améliorer la compréhension des phénomènes de cliquetis. La thèse d’Anthony Robert a plus précisément porté sur une approche de simulation novatrice, de type Simulation aux grandes Echelles (LES)[2].

Ce travail a été mené à l’aide du code 3D AVBP[3], codéveloppé par IFPEN et le CERFACS[4]. Il a démontré la représentativité de cette simulation LES par rapport à des résultats expérimentaux obtenus à IFPEN, aussi bien en termes de variabilités "cycle à cycle" qu’en termes de fréquence du cliquetis, de son intensité et de son instant d’apparition dans le cycle.

Une grande variété de scénarios a été mise en évidence selon les cycles et les conditions locales dans la chambre de combustion, résultat auquel il aurait été impossible d’accéder par l’expérience.

De plus, la simulation LES s’est révélée être un outil de compréhension qui permet d’analyser en détail les phénomènes physiques à l’œuvre. Il est ainsi possible de localiser les principales zones de déclenchement de l’auto-inflammation.

Localisation de la flamme (rouge) et de l'auto-inflammation (noir) au cours d'un cycle moteur.

Elle permet également de suivre, pour chaque cycle moteur et à chaque instant, la position de la flamme et celle de l’auto-inflammation non contrôlée. L’occurrence d’un état de transition vers la détonation a ainsi pu être confirmée durant certains cycles et semble être la cause des très fortes intensités de cliquetis, souvent destructrices, enregistrées durant le fonctionnement du moteur.

La simulation LES constitue donc un outil puissant pour aider les motoristes à mieux comprendre les phénomènes dans les chambres de combustion, et améliorer ainsi leurs moteurs. Ce travail est une parfaite illustration du positionnement de l’activité d’IFPEN de la recherche fondamentale à l’industrie, au service de la transition énergétique.

Anthony Robert a effectué sa thèse à IFPEN dans le cadre d’une convention CIFRE avec PSA Peugeot Citroën. Elle était codirigée par Thierry Poinsot de l’INP Toulouse et par Olivier Colin de la Direction Systèmes Moteurs et Véhicules d'IFPEN.

Publications

  • A. Robert, S. Richard, O. Colin, T. Poinsot, “LES study of deflagration to detonation mechanisms in a downsized spark ignition engine”. Combustion and Flame, Elsevier, 2015, 162 (7), p.2788-2807.
    >> DOI: 10.1016/j.combustflame.2015.04.010
  • A. Robert, S. Richard, O. Colin, L. Martinez, L. De Francqueville, “LES prediction and analysis of knocking combustion in a spark ignition engine”, Proc. Combust. Inst. 35 (3) (2014) 2941-2948.
    >> DOI:10.1016/j.proci.2014.05.154
  • A. Misdariis, A. Robert, O. Vermorel, S. Richard, T. Poinsot. Numerical Methods and Turbulence Modeling for LES of Piston Engines : Impact on Flow Motion and Combustion”, Oil & Gas Sci. Technol. - Rev. IFP Energies nouvelles, Vol. 69 (2014), No. 1, pp. 83-105.
    >> DOI: 10.2516/ogst/2013121
  •  A. Robert, L. Martinez, J. Tillou, S. Richard, “Eulerian - Eulerian Large Eddy Simulations Applied to Non-Reactive Transient Diesel Sprays”, Oil & Gas Sci. Technol. - Rev. IFP Energies nouvelles, Vol. 69 (2014), No. 1, pp. 141-154.
    >> DOI: 10.2516/ogst/2013140

Rappelons que ce Prix, portant le nom de Yves Chauvin, Prix Nobel de Chimie 2005, est attribué par le Conseil scientifique d’IFPEN à un jeune docteur pour :

  • marquer la reconnaissance de l’excellence scientifique de ses travaux de recherche.
  • récompenser sa contribution à lever des verrous scientifiques et à développer de nouveaux concepts.

Chaque année en moyenne, 135 thésards sont présents et 45 thèses soutenues à IFPEN.

  1. Ce travail est présenté dans le n° 21 de la lettre d’information scientifique Science@ifpen, consacrée aux technologies bas carbone
  2. Large-Eddy Simulation
  3. Code de calcul LES
  4. Centre Européen de Recherche et de Formation Avancée en Calcul Scientifique

 

L'espace Découverte vous propose des clés pour comprendre les enjeux énergétiques du 21ème siècle liés à un développement durable de notre planète.

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