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Contexte

Les scénarios futurs visant à réduire efficacement les émissions de gaz à effet de serre d'origine humaine à l'échelle mondiale incluent toujours l'utilisation ultérieure de moteurs à combustion interne dans divers secteurs de la mobilité et industriels. Cependant, la neutralité climatique ne peut être atteinte de manière réaliste que si une politique de défossilisation conséquente est menée.

Ainsi, des vecteurs énergétiques liquides ou gazeux alternatifs tels que l'ammoniac, l'hydrogène ou le méthanol sont au centre de ce projet de recherche. Comme la production de ces carburants alternatifs est très gourmande en énergie, un processus de combustion efficace est la plus grande priorité, visant des efficacités thermiques de freinage d'environ 50 %.

Afin d'atteindre cet objectif ambitieux, d'autres étapes technologiques telles qu'un appauvrissement extrême du mélange et des taux de compression élevés sont nécessaires. D'autre part, l'un des principaux facteurs limitant pour atteindre cet objectif est le phénomène de cliquetis. À l'heure actuelle, les projets de recherche sur les phénomènes de cliquetis se sont concentrés sur l'essence.

La base de connaissances concernant le comportement au cliquetis des carburants alternatifs (synthétiques) est assez pauvre. Avec l'approche combinée comprenant des investigations expérimentales et le développement d'outils de simulation, de nouvelles pierres angulaires pour le développement futur du moteur à combustion interne peuvent être posées.

Objectifs

Avec la transition vers une société neutre en carbone, le développement des moteurs à combustion interne est confronté à de grands défis pour l'utilisation de carburants renouvelables, ce qui exigera également des PME qu'elles adaptent leurs techniques de modélisation. Selon l'application, qui peut varier du transport terrestre et maritime aux équipements de construction en passant par les générateurs, une variation de différents carburants peut s'avérer être le substitut idéal au vecteur d'énergie fossile.

Ce projet se concentre sur la modélisation du cliquetis du moteur comme un facteur limitant clé pour les rendements de pointe pour l'utilisation de carburants de type essence. La modélisation du cliquetis s'est avérée extrêmement difficile à prévoir et a été un défi au cours des dernières décennies de développement de moteurs. Des approches de pointe en matière de modélisation du cliquetis seront appliquées et améliorées pour trois carburants synthétiques candidats : l'ammoniac, l'hydrogène et le méthanol, qui diffèrent tous fortement par leurs propriétés de combustion et leur domaine d'application.

Partenaires

FVV est l'organisation membre allemande pour la recherche sur les moteurs à combustion. Dans le cas du projet proposé, FVV sera responsable de la gestion du projet du côté allemand et est l'association coordinatrice de ce projet.

IFS effectuera des investigations virtuelles, y compris des simulations 0D/1D. L'IFS utilisera son expérience de modélisation pour adapter les modèles de prédiction d'occurrence de cliquetis existants aux carburants alternatifs (synthétiques) comme l'ammoniac et l'hydrogène et développera un modèle détaillé de prédiction de l'intensité et de la fréquence des cliquetis.

PRISME sera chargé de fournir différents ensembles de données sur la combustion de l'ammoniac, de soutenir la sélection de mécanismes de réaction précis pour transférer les données de test à la simulation et d'améliorer le code CFD commercial.

VKA effectuera une analyse 3D-CFD pour des points de fonctionnement sélectionnés avec de l'ammoniac, de l'hydrogène et du méthanol.

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Déroulement

PRISME de l'Université d'Orléans réalisera des études dédiées à l'ammoniac (y compris le dosage de l'hydrogène) à l'aide d'essais thermodynamiques sur un moteur monocylindre en mettant l'accent sur la combustion à cliquetis. Dans le même temps, la base de données expérimentale sera élargie pour les mesures de méthanol et d'hydrogène, dont VKA dispose à partir de projets FVV précédents. Ce projet comportera une documentation des investigations thermodynamiques à la limite du cliquetis pour une très large gamme d'applications, qui elle-même fournira de grandes informations aux PME et leur permettra de valider leurs propres modèles basés sur ces données.

VKA de l'Université RWTH d'Aix-la-Chapelle développera, validera et documentera un modèle pour prédire la fréquence et l'intensité des cognements à l'aide d'une approche CFD, qui représente le cycle moyen du moteur en utilisant une méthode basée sur la fonction de densité de probabilité.

IFS développera deux nouvelles extensions de modèle de cliquetis 0D/1D. Tout d'abord, le modèle de limite de cliquetis existant sera adapté aux carburants renouvelables afin de prédire l'occurrence du cliquetis pour des cycles de travail moyens. Par conséquent, les calculs d'intégrale d'auto-allumage seront adaptés aux propriétés physiques des carburants respectifs. La deuxième extension du modèle inclut la prédiction des valeurs statistiques concernant les phénomènes de cliquetis. La fréquence de cognement et l'intensité de cognement d'un point de fonctionnement seront simulées sur la base d'un modèle prédictif de variations cycle à cycle.

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Résultats Attendus

Le premier résultat pratique consiste en deux nouveaux modèles 0D/1D qui incluent une prédiction validée de l'occurrence du cliquetis pour les carburants alternatifs (WP3). De plus, un deuxième modèle sera capable de prédire les valeurs statistiques de l'événement de cognement en tant que fréquence de cognement et intensité de cognement (WP4).

Le deuxième résultat pratique est la livraison d'une approche validée, qui permet de prédire les quantités de cognement susmentionnées dans un 3D-CFD basé sur le cycle moyen (WP2). Ce résultat s'accompagnera de la sélection de mécanismes de réaction appropriés et de données tabulées pour les temps de retard d'allumage, qui peuvent également être utilisées pour d'autres applications par les PME.

Un autre avantage pour les PME est la validation complète des modèles livrés. Ces résultats constituent une base utile pour une première évaluation des limites imposées au nouveau moteur en termes de potentiel d'amélioration de l'efficacité.

Les méthodes de mesure développées dans le cadre de ce projet fourniront des informations supplémentaires sur la configuration de la machine de compression rapide et du banc d'essai, y compris la méthodologie de mesure (WP1).

Enfin, les publications et la littérature issues de ce projet élargiront les connaissances issues de divers projets sur les phénomènes de cliquetis menés avec de l'essence et créeront une base pour une compréhension plus approfondie des carburants alternatifs. Ayant cette littérature à leur disposition, le développement rentable par les PME sera soutenu.

Contact : Christine ROUSSELLE ⇒ christine.rousselle@univ-orleans.fr