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Améliorer les motorisations thermiques

Les moteurs à combustion interne équiperont encore pour plusieurs décennies la majorité des véhicules routiers.

Le gazole, quant à lui, restera le carburant de référence des véhicules industriels et des poids lourds.

En phase avec la réalité du marché et le durcissement des normes environnementales, IFPEN mène des recherches visant à améliorer le rendement des moteurs thermiques tout en réduisant les émissions de polluants, via l’optimisation des technologies existantes et l’introduction de solutions en rupture.
Un pourcentage de gains en consommation à deux chiffres est encore possible.

 

Les logiciels 3D pour la combustion accessibles aux industriels

Dans le cadre de ses travaux de R&I, IFPEN développe des outils logiciels de modélisation 3D de la combustion moteur, qu’il utilise pour ses besoins propres ou pour l’accompagnement des industriels.

     Modélisation 3D avec le logiciel Converge™, pour un moteur à allumage par compression

Ces outils sont commercialisés via son partenaire Convergent Science Inc.
En août 2016, après 18 mois de développements avec IFPEN, cet éditeur a démarré avec succès la commercialisation de la nouvelle version de son logiciel Converge pour la simulation CFD (Computational Fluid Dynamics, mécanique des fluides numérique) des écoulements réactifs dans les moteurs. Cette version intègre, pour la première fois, un catalogue de modèles de combustion essence et Diesel issus de la recherche IFPEN.

Par ailleurs, IFPEN a lancé en 2015, pour trois ans, le consortium ACCESS-LES.
Ce dernier rassemble quatre partenaires industriels autour d’un programme visant à évaluer et développer la simulation LES (Large-Eddy Simulation, simulation aux grandes échelles) des moteurs à combustion interne. Opérationnelle depuis fin 2016, la plateforme logicielle présente un potentiel prometteur pour la prédiction des instabilités de combustion et des variabilités cycliques dans les moteurs. Les participants au consortium bénéficient, moyennant un ticket d’entrée, d’un libre accès au code LES en mode SaaS (Software as a Service), ainsi que d’un support pour la mise en œuvre de cet outil.

 

Motorisations essence

Pour répondre aux objectifs réglementaires en termes de réduction globale des émissions de CO2, le moteur à essence doit améliorer encore son efficacité énergétique afin de se positionner comme une voie alternative au moteur Diesel.

Dans ce domaine, IFPEN a mis au point en 2015, dans le cadre d’une collaboration avec un acteur industriel, une solution destinée aux véhicules urbains de transport de marchandises (6-19 tonnes). La technologie développée permet à ces véhicules de disposer d’une motorisation à essence ayant un rendement proche de celui d’un moteur Diesel. Cette approche présente de surcroît l’avantage d’éviter l’utilisation de systèmes de dépollution complexes.
   

Un projet européen pour améliorer le rendement des moteurs à essence

IFPEN pilote le projet Eagle (Efficient Additivated Gasoline Lean Engine), lancé en 2016 dans le cadre du programme européen Horizon 2020.

Rassemblant 9 partenaires pour une durée de 3 ans et demi, ce projet vise à développer une motorisation essence pour une application hybride, permettant des pics de rendement de 50 % tout en réduisant les émissions, dont les particules ultrafines. Plusieurs voies technologiques ont été identifiées.
  
En 2017, les travaux porteront sur les moyens d’obtenir une combustion très pauvre, stable et efficiente, et de limiter fortement les pertes thermiques aux parois.

 
Par ailleurs, dans le cadre de son partenariat historique avec le GSM (Groupement scientifique moteurs réunissant IFPEN, Renault et Groupe PSA), IFPEN a poursuivi des travaux destinés à repousser l’apparition des phénomènes de combustions anormales, avec notamment l’évaluation de l’impact des températures locales des parois, de la variabilité cyclique de la combustion et de la nature du lubrifiant.

    
     Banc optique pour l'étude de la combustion des moteurs à allumage par compression.

 

Motorisations diesel

Le gazole reste le carburant de référence des véhicules industriels (off-road - engins agricoles et de chantier) et des poids lourds. Ce secteur connaît une évolution significative en raison du durcissement des normes antipollution Euro 6 puis Euro 7, très contraignantes, et US Tier 4 aux États-Unis.

Dans ce contexte, l’approche R&I d’IFPEN vise à améliorer le rendement des motorisations Diesel, tout en réduisant à la source leurs émissions.

Ses recherches concernent :

  • le cycle thermodynamique,
  • le système de combustion,
  • et la maîtrise des transitoires.

La combustion diffusive est une des voies explorées par IFPEN pour améliorer le rendement thermodynamique.
  
Des travaux sont également menés pour simplifier les systèmes de dépollution.

Dans le cadre des travaux du GSM, des gains en rendement, en émissions de polluants, en mise en action du post-traitement et en brio ont été obtenus. Ces résultats sont issus de l’exploitation originale d’une technologie de distribution variable permettant d’optimiser efficacement le système de combustion du moteur.

Par ailleurs, IFPEN poursuit les travaux engagés depuis plusieurs années sur la motorisation deux-temps, qui se révèle une voie technologique intéressante en termes de consommation, d’émissions de polluants et d’agrément d’utilisation. Un premier démonstrateur a été réalisé dans le cadre du projet européen Powerful, et IFPEN a désormais rejoint le projet européen Reward. Ce dernier vise à développer une nouvelle architecture de motorisation deux-temps Diesel destinée aux véhicules des segments C et supérieur.

Enfin, en qualité d’expert indépendant, IFPEN a été mandaté pour participer à la Commission d’enquête sur les émissions de NOx des véhicules Diesel, lancée par Ségolène Royal, ministre de l’Environnement, de l’Énergie et de la Mer, en octobre 2015. Dans ce cadre, IFPEN réalise des essais d’investigation complémentaires à ceux opérés par l’UTAC (Union technique de l’automobile, du motocycle et du cycle).

 

Systèmes de combustion en rupture

Au-delà des travaux menés sur les technologies moteurs conventionnelles, IFPEN s’est donné pour objectif d’atteindre des rendements très élevés, avec une cible de 50 %. L’un des axes actuellement étudié est celui de procédés de combustion en rupture, notamment à travers l’analyse de boosters de combustion sur les volets carburant et comburant, afin de permettre d’exploiter pleinement le potentiel des combustions en mélange très dilué.

Dans ce cadre, IFPEN participe au projet ANR Cicco, qui vise à étudier le potentiel de l’ozone comme comburant booster de combustion. En effet, l’ozone, grâce à son pouvoir oxydant, abaisse fortement la température d’auto-inflammation des carburants, y compris ceux possédant un faible indice de cétane. Au sein du projet, IFPEN est notamment en charge d‘évaluer numériquement et expérimentalement l’impact de l’ozone sur les modes de combustion avancés.

         IFPEN analyse le potentiel de l'ozone comme comburant booster de combustion.

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 + Développement industriel > Transports


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Partenariat

  
« Quand nous avons contacté IFPEN en vue d’une potentielle collaboration, notre objectif était de bénéficier de ses connaissances en modélisation de la combustion et du post-traitement, mais aussi de ses données expérimentales. Cette collaboration a été très positive. Nous avons le sentiment d’avoir fait progresser notre capacité de modélisation, en particulier dans le domaine de la combustion, et d’avoir amélioré significativement notre logiciel Converge. IFPEN nous a apporté beaucoup d’expertise et aidés à valider plusieurs de ses modèles, aujourdhui largement utilisés à travers le monde. En les couplant à notre code CFD, nous sommes désormais en mesure d’offrir à nos clients une solution réellement performante pour la simulation de la combustion et du post-traitement. »
      
Peter Kelly Senecal, Vice-président de Convergent Science Inc.

Chiffres clés

25 %
de la demande mondiale d’énergie concerne le transport.

3 à 4 x
Augmentation de la mobilité mondiale des voyageurs d’ici à 2050 (AIE).

x 2
Augmentation prévue du nombre de véhicules légers dans le monde d’ici à 2040.

70 %
Part de marché des moteurs à essence dans les motorisations automobiles en 2020.