L’augmentation fulgurante de l’utilisation de l’énergie via la combustion ces trente dernières années contraint les industriels à concevoir des systèmes répondant à de nombreuses exigences en termes de consommation, d’émissions polluantes ou encore de nuisances sonores. Alors que le parc automobile mondial ne cesse d’augmenter, les émissions des véhicules participent à l’augmentation de la pollution de l’air et de la concentration de gaz à effet de serre.

Face à ce constat, les motoristes recherchent des innovations qui pourraient permettre d’améliorer le rendement et de réduire les émissions polluantes des moteurs à combustion interne. La combustion pauvre homogène est l’une des voies les plus prometteuses pour cela. Elle bénéficie d’une meilleure efficacité grâce à des pertes par pompage plus faibles, à des pertes de chaleur aux parois moindres et à un rapport de capacités thermiques plus élevé en comparaison avec la combustion stoechiométrique. Par ailleurs, la combustion pauvre homogène produit de faibles émissions polluantes. Cependant, une vitesse de combustion plus faible et un allumage plus difficile empêchent les moteurs à allumage commandé de fonctionner en mélange pauvre homogène. L’allumage par bougie d’un mélange pauvre entraîne une combustion erratique, des ratés d’allumage et des combustions incomplètes.

Ainsi, brûler un mélange pauvre homogène représente un défi majeur, nécessitant une rupture technologique afin d’enflammer le mélange et de produire une combustion rapide. Étudié expérimentalement, le système d’allumage par pré-chambre semble pouvoir ouvrir la voie à la combustion pauvre dans les moteurs à combustion interne.

Ce système réduit les instabilités de combustion en induisant un allumage fiable. De plus, les multiples sources d’allumage et l’injection de turbulence impliquent une combustion rapide de la charge principale éliminant les cycles de combustion incomplets et permettant d’augmenter le taux de compression sans induire de cliquetis, augmentant ainsi à nouveau l’efficacité.

 

L’allumage par pré-chambre de combustion

L’allumage par pré-chambre consiste à allumer une charge auxiliaire dans une pré-chambre reliée à la chambre de combustion principale par de multiples conduits. La combustion à l’intérieur de la pré-chambre crée une augmentation de la pression due à la dilatation thermique. La différence de pression entre les chambres crée un flux de masse qui force la flamme et les gaz brûlés à pénétrer dans la chambre principale, enflammant la charge principale par un couplage complexe de mécanique des fluides, d’effets thermiques et de cinétique chimique.

 

Objectifs de la simulation aux grandes échelles

La recherche et le développement d’une telle technologie impliquent une bonne compréhension des phénomènes physiques et de la structure des flammes turbulentes générées. Les simulations de type Large Eddy Simulation (LES) ont le potentiel de prédiction adéquat pour capter les phénomènes instationnaires primordiaux sur ce type d’application. Aujourd’hui cependant, la physique de ce type de technologie a été peu étudiée à l’aide de LES sur des configurations réalistes de par la complexité et le coût de tels calculs.

 

8 millions d’heures sur le supercalculateur Joliot-Curie

Le travail réalisé à l’aide d’une allocation d’heures de 8 millions d’heures de calcul  à l’occasion des Grands Challenges Joliot-Curie se propose de répondre à ce manque de données. La LES est ici utilisée comme outil afin d’étudier le comportement d’un système d’allumage par pré-chambre sur un moteur et un point de fonctionnement du Groupe Renault.

 

Défi technique du calcul

Le calcul d’une telle configuration nécessite une résolution spatiale très fine. En effet, la combustion se déroulant à haute pression et à haute température, les épaisseurs de flamme sont de l’ordre de la dizaine de micromètres. Par ailleurs, les conduits sont d’un diamètre de l’ordre du millimètre ce qui implique de très petites tailles de cellules en complément d’une loi de paroi afin de résoudre correctement les pertes de charge. Les hautes vitesses atteintes dans les conduits combinées aux faibles tailles de cellules impliquent un pas de temps très faible, de l’ordre de la nanoseconde. La cinétique chimique nécessaire à la bonne description du mécanisme d’allumage par gaz brûlés implique le transport d’une vingtaine d’espèces et la résolution de plus de 150 réactions. Cette combinaison de difficultés nécessite de nombreuses heures de calcul etl’utilisation d’un code massivement parallèle.


Retrouvez le résultat complet réalisé sur le supercalculateur Joliot-Curie ici :

Simulation numérique d’un allumage par pré-chambre dans un moteur à combustion interne [1]

http://www.genci.fr/sites/default/files/Genci-Revue_GrdChallenge_CT2-Renault.pdf [1]