FacebookTwitterLinkedInImprimer

Carnot IFPEN Transports EnergieMotorisations thermiques      
Nos solutions

ESSENCE

Les travaux d’IFPEN sur les motorisations essence visent à réduire fortement leur consommation tout en privilégiant un système de post-traitement moins complexe que celui des motorisations Diesel. Intégré à une chaine de traction électrifiée (GMP hybride), le moteur essence permettra de disposer d’une technologie sobre, efficiente et respectueuse de la qualité de l’air.

À noter que ces travaux peuvent être facilement transposés à une utilisation du gaz naturel (GNV).
 

Motorisation haute performance

« Pour améliorer le rendement thermodynamique des motorisations essence en fonctionnement stœchiométrique, nous avons développé une nouvelle génération de système de combustion. Son aérodynamique interne innovante, particulièrement optimisée pour les cycles Miller en 2 et 4 soupapes par cylindre, à forte dilution par l’EGR, permet de :

  • obtenir un rendement effectif maximum supérieur à 43 %, grâce à un très bon niveau de turbulence au moment de l’allumage quel que soit le cycle à l’admission
Motorisation haute performance
  • atteindre des taux de compression très élevés, supérieurs à 13:1,
  • réduire des émissions de particules de façon très significative et sur tout le spectre d’émission, dès 10 nm.

Nous sommes aujourd’hui capables de proposer une solution clés en main et totalement compatible avec les architectures de moteur GDI actuels. »

Xavier Gautrot, chef du projet Développement motorisations à allumage commandé avancées, IFPEN

> En savoir plus : Next generation of fully lambda Miller-Atkinson engines (en anglais)


Vers des moteurs à allumage par compression ?

Si le dieselgate a remis les motorisations essence sur le devant de la scène, leur rendement peut encore être amélioré. IFPEN explore la piste des moteurs à allumage par compression.

« Dans un moteur essence classique, on introduit un mélange d’air et de carburant et on réalise l’allumage par une bougie. Dans un moteur à compression, la principale partie du mélange s’auto-enflamme du fait des conditions de température en fin de compression. Si cela permet d’augmenter le rendement, il faut au préalable lever certains verrous liées aux propriétés des carburants. C’est ce que nous cherchons à faire à travers des recherches menées avec différents partenaires, dont Saudi Aramco. Dans le cadre de notre projet commun GCI (Gasoline Compression Ignition), nous réalisons des tests à l’aide de moyens optiques, de modélisations 3D et d'essais sur des monocylindres de recherche, afin de mettre au point un nouveau concept de motorisation. Notre cible est ambitieuse : un rendement de l’ordre de 50 %, contre 41 % en moyenne sur les motorisations essence classiques. »

Florence Duffour, chef de projet Moteur à Allumage par Compression, et Michel Castagné, chef de projet Collaboration Saudi Aramco, IFPEN


Solution très haut rendement

IFPEN mène des travaux sur des motorisations essence allumage commandé pour atteindre des rendements maximum de 50 %. Une partie de ses travaux est menée dans le cadre du projet européen EAGLE.
 

Diesel 

Les travaux actuellement en cours à IFPEN sur les motorisations Diesel concernent exclusivement les engins off road et les poids lourds, pour lesquels les alternatives technologiques se sont pas matures à court ni moyen termes.
Sur les véhicules particuliers, des progrès restent à faire qui portent essentiellement sur :

  • les systèmes de post-traitement,
  • le contrôle.


Motorisations Diesel

«  Notre concept BOOST repose sur une architecture innovante de la boucle d’air. Grâce à lui, nous sommes capables de répondre à la double problématique des motorisations industrielles que sont :

  • le couple,

  • et la dynamique moteur à bas régime, notamment lors de fortes sollicitations en couple du moteur.

Notre premier brevet a été déposé en 2013, sur la base d’un travail de simulation. Une preuve de concept l’année suivante, en 2014, a permis de valider les résultats de la simulation sur un modèle physique, et de confirmer l’intérêt de la solution. À ce stade du développement, nous nous sommes entourés de spécialistes du marketing de l’innovation, pour faire évoluer notre concept au regard des besoins précis du marché, et renforcer la propriété industrielle associée. Le travail que nous avons mené au sein d’une cellule innovation dédiée au projet nous a permis de faire évoluer le concept, et dix brevets ont été déposés en quelques mois !
L’étude fine des besoins utilisateurs nous a permis d’identifier le marché des tracteurs agricoles comme le plus directement intéressé par les atouts de notre concept. Nous avons alors présenté BOOST aux principaux industriels et noué un partenariat de co-développement avec l’un des acteurs majeurs du secteur des machines agricoles, pour une mise en service ciblée pour 2020.
Le succès de BOOST repose sur l’association de notre expertise historique dans les motorisations Diesel industrielles avec une méthodologie de type
lean startup : un duo gagnant ! »

Thierry Colliou et Bruno Walter, chefs de projet, IFPEN 

 

Post-traitement

Le post-traitement est indispensable pour assurer la pérennité des véhicules équipés de moteurs thermiques. L’objectif est de les faire évoluer vers un usage à très faibles émissions, compatible avec leur utilisation en ville, sans impact sur la qualité de l’air.

 « Le dieselgate a montré l’importance de pouvoir garantir la capacité des moteurs à respecter les normes d’émissions non seulement lors de cycles d’homologation, mais aussi dans toutes les plages de fonctionnement. Répondre à cette problématique, c’est être capable de qualifier ces émissions, de façon non seulement précise, mais surtout parfaitement fiable. Notre expertise dans ce domaine repose sur une double compétence :

  • une connaissance pointue des phénomènes physico-chimiques intervenant dans la formation et l’évolution des polluants,
  • une maîtrise avancée des techniques de mesure.

Nous sommes ainsi à même, dans le cadre du projet Ademe Rhapsodie, par exemple, de livrer une vision très complète des émissions de polluants réglementés, mais aussi non réglementés, présents à l’échappement de véhicules représentatifs du parc automobile français. Ces informations sont utilisées par les pouvoirs publics pour faire évoluer les politiques de prévention de la pollution automobile et de préservation de la qualité de l’air. Nous développons aussi de nouveaux outils capables d’améliorer encore la qualification des émissions de polluants, répondant ainsi à de nombreux besoins exprimés par les acteurs engagés dans l’amélioration de la qualité de l’air. Par ailleurs, nous participons au projet européen H2020 Sureal-23, dont l’objectif est de développer des technologies de mesure embarquées de particules de diamètre inférieur à 23 nanomètres.

Notre contribution aux technologies de post-traitement concerne également le développement de catalyseurs automobiles. Notre capacité à contrôler des systèmes actifs extrêmement complexes nous permet d’optimiser la mise en œuvre de catalyseurs directement au sein de la ligne d’échappement.

Enfin, nous développons des outils de simulation pour le dimensionnement et le contrôle des systèmes de post-traitement des émissions, brique essentielle pour les constructeurs dans la mise au point de leurs moteurs. »


 Stéphane Raux

Stéphane Raux, chef du projet Post-traitement, IFPEN

 

Mesurer facilement les émissions en usage réel : la valise de diagnostic embarqué REAL-E


Des solutions de contrôle Diesel innovantes

Reward logoEmbarqué dans le calculateur du véhicule, le contrôle moteur utilise des algorithmes pour piloter l’ensemble des actionneurs et fournir ainsi le couple demandé par le conducteur, tout en réduisant les émissions polluantes (NOx, particules, etc.) des technologies existantes. Au sein du projet H2020 Reward, IFPEN et ses partenaires cherchent à optimiser ces stratégies de contrôle.

« Le projet Reward vise l’amélioration des motorisations Diesel. Notre contribution porte plus particulièrement sur le volet contrôle, dans lequel nous disposons d’une expertise confirmée. Le principal défi est d’adapter les stratégies de contrôle aux conditions réelles dans lesquelles les véhicules circulent. La difficulté réside dans la complexité du pilotage de ces motorisations Diesel, qui se caractérisent par un grand nombre de degrés de liberté. L’un des éléments importants à prendre en compte dans les stratégies de contrôle étant la quantité de NOxproduite en sortie du moteur, et comme un capteur de NOx reste un système coûteux, on cherche à estimer cette information par l’intermédiaire d’un capteur logiciel se basant sur des mesures déportées : nous étudions l'utilisation de capteurs de pression cylindre pour obtenir des données sur le déroulement de la combustion, ce qui permet de reconstruire l’information NOx à la sortie du moteur. »

Thomas Leroy, chef de projet, IFPEN

 

Optimiser l’utilisation des carburants 

Pour contribuer directement à la réduction des émissions de gaz à effet de serre, les véhicules terrestres et aériens doivent être capables d’utiliser de façon optimale les différents carburants alternatifs, présentant une empreinte CO2 réduite :

  • les biocarburants, qu’ils soient conventionnels ou avancés, comme les carburants de synthèse produits à partir d’électricité « verte » (e-fuels), permettent une réduction immédiate des émissions de CO2 sur la chaîne du puits à roue,
  • le gaz naturel pour véhicules (GNV) reste un produit d’intérêt, à la fois pour le transport longue distance dans sa version GNL (Gaz naturel liquéfié) mais également pour le transport urbain, principalement sous sa forme comprimée ; le biométhane lui apporte un bénéfice supplémentaire en matière d’émissions globales de CO2.

Quel que soit le type de carburant utilisé, conventionnel ou alternatif, l’adéquation entre le moteur et le carburant permet de garantir des performances énergétiques et environnementales optimales. Maîtriser les spécifications techniques des carburants est indispensable pour accompagner leur évolution, notamment face aux nouvelles réglementations destinées à améliorer la qualité de l’air et à réduire les émissions de gaz à effet de serre.

« IFPEN propose une approche intégrée unique de l’étude des carburants sur toute la chaîne de valeur, et pour les domaines automobile et aéronautique :

  • depuis leur production : transformation et respect des spécifications pour les carburants conventionnels et les biocarburants,
  • jusqu’à leur impact sur les propriétés d’usage (stabilité à l’oxydation, tenue au froid, compatibilité entre les matériaux et le carburant, etc.),
  • mais aussi sur les performances du moteur (rendement, émissions polluantes),
  • et en prenant en compte les contraintes environnementales et économiques associées.
     
Optimiser l’utilisation des carburants

Notre savoir-faire est reconnu par les acteurs industriels de nombreux secteurs : automobile, aéronautique, pétrole, biocarburant ou encore additiveur. Notre expertise répond à leurs besoins en termes de :

  • construction de la matrice carburant, approvisionnement des bases nécessaires à sa réalisation et logistique pour répartir les produits entre différents partenaires,
  • analyse chimique et physique des bases pétrolières et des carburants, grâce à laquelle nous pouvons proposer des modèles adaptés à la prédiction des propriétés carburants.

Nous avons ces dernières années travaillé sur le développement de modèles qui font aujourd’hui référence, et qui sont utilisés au sein de différents projets collaboratifs, aussi bien français (MOCCASSIN) qu’européens (JETSCREEN et PHOTOFUEL). Nous y qualifions le comportement, en combustion ou en usage, de différentes formulations et filières carburants, dans les domaines automobiles et aéronautiques. »

Laurie Starck, chef du projet Adéquation moteurs-carburants, IFPEN

La mesure de la stabilité thermique des carburants aéronautiques est une problématique très sensible avec les contraintes de plus en plus sévères des nouveaux systèmes de combustion et la diversification du carburant (biocarburants, logistique pétrolière multiproduits, etc.).

« C’est pourquoi nous avons co-développé avec AD Systems, PME spécialisée dans les appareils de mesure des produits pétroliers, l’appareil TO10. Ce nouveau système équipé d’un module d’assistance permet à la fois de :

  • disposer d’un test reproductible,
  • guider l’opérateur sur le choix des températures de test,
  • réduire le nombre d’essais.

L’intégration de nos modèles décrivant la stabilité thermique des carburéacteurs a permis d’enrichir le produit d’AD Systems, commercialisé depuis le deuxième semestre 2018 et en cours de validation auprès de l’ASTM.»

Laurie Starck, chef du projet Adéquation moteurs-carburants, IFPEN
 

En savoir plus : Nos expertises >   Carburants 


« Pour étudier le potentiel du gaz naturel véhicule (GNV), nous avons développé un concept de combustion dual fuel reposant sur l’injection simultanée de gaz et d’essence. Notre concept Cigal possède un triple avantage :

  • réduction de la consommation,
  • réduction des émissions de CO2, estimée à près de 15 %,
  • réduction des émissions de particules jusqu’à un facteur 10 par rapport à un moteur à injection directe essence.
     
concept CIGAL

Cigal a été validé sur des moteurs optimisés pour un fonctionnement au gaz naturel. Nous l’avons également testé sur des véhicules de livraison urbaine avec la PME Warning, dans le cadre du projet Ademe Casual. Ce qui nous a permis de :

  • réduire les émissions de CO2. de 80 % grâce à l’utilisation de bioGNV fourni par Engie,
  • valider l’adhésion des utilisateurs en termes d’agrément de conduite et d’approvisionnement en carburant,
  • étudier finement les consommations respectives des deux carburants pour optimiser la taille des deux réservoirs. »

    interview audio de B. Lecointe

    Bertrand Lecointe, chef du projet Motorisation allumage commandé en rupture, IFPEN

    > Ecouter l'interview (audio) de B. Lecointe (MP3, 1'50)
     


Logiciels d’ingénierie 

IFPEN développe des outils d’ingénierie d’aide à la conception dans deux domaines :

  • la simulation système,
  • la modélisation 3D de la combustion.

Ces logiciels sont utilisés pour nos propres travaux de recherche et commercialisés par nos partenaires Siemens PLM Software et Convergent Science Inc.

« Pour faire face aux nouvelles réglementations, notamment l’intégration du RDE (Real Driving Emissions), et aux évolutions technologiques telle que l’électrification, l’utilisation de la simulation pour spécifier et valider la conception des groupes motopropulseurs (GMP) sur les différents cas d’usage ne cesse de croître. Avec à la clé la possibilité de réduire les échelles de temps et de coûts. Nous travaillons depuis une quinzaine d’année sur une approche de modélisation système, appliquée à l’ensemble de la chaîne de conception des nouveaux GMP. Nous proposons aujourd’hui quatre librairies de modèles, co-développées avec notre partenaire Siemens PLM Software et intégrées à sa plateforme Simcenter Amesim™ :

  • IFP-Engine : modélisation détaillée des moteurs thermiques,
  • IFP-Exhaust : modélisation détaillée des systèmes de post-traitement des gaz d’échappement,
  • Electric storage : modélisation détaillée des systèmes de stockage de l’énergie électrique,
  • IFP-Drive : modélisation globale du GMP et du véhicule.
     

La force de nos modèles ? La prise en compte toutes les briques du véhicule et la couverture de tous les GMP, qu’ils soient thermiques, hybrides ou 100 % électriques.
 

 IFP-Engine

Ce partenariat a plus de dix ans : cette confiance, régulièrement renouvelée, repose notamment sur notre capacité à développer des outils :

  • scientifiquement puissants,
  • que nous utilisons pour nos projets de recherche,
  • répondant à des besoins clients,
  • et industrialisables. 
     

L’exemple de HOT (Hybrid Optimization Tool) est révélateur : conçu initialement comme un outil de recherche pour les chercheurs IFPEN sur la stratégie de gestion de l’énergie des véhicules hybrides, il est devenu un logiciel commercial en intégrant la librairie IFP-Drive en 2017.»

Grégory Font, chef du projet Modélisation système GMP, IFPEN

 

« IFPEN dispose d’une longue expérience en matière de développement de modèles pour les moteurs à combustion interne : notre collaboration avec Convergent Science Inc. a permis l’implantation, dans le logiciel CONVERGE™ de mécanique des fluides numérique (Computational Fluid Dynamics/CFD), des modèles de combustion et de post-traitement automobiles développés par nos équipes de recherche.

© CSI
© CSI

Nous sommes ainsi en mesure de proposer un logiciel CFD pleinement prédictif et d’offrir aux constructeurs des solutions rapides et faciles d’utilisation pour la simulation numérique 3D des écoulements réactifs dans les moteurs. Nous participons ainsi de façon tout à fait concrète à accélérer la mise au point de moteurs plus économes et plus propres. »

Julien Bohbot, chef de projet, IFPEN

 

« 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 est 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 pour nous aider à valider plusieurs de ses modèles, aujourd’hui 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

Peter Kelly Senecal, Vice-président de Convergent Science Inc.

 

 

« Nous disposons d’une expertise historique dans le développement de modèles LES (Large-Eddy Simulation ou Simulation aux grandes échelles), que nous utilisons dans nos programmes de recherche. Leur potentiel pour aider les constructeurs à améliorer le rendement des motorisations thermiques nous a poussés à proposer une valorisation de ces outils :

  • dans le logiciel CONVERGE™ de notre partenaire CSI,
  • ACCESS-LESà travers le projet ACCESS-LES, via une solution en mode SaaS (Software as a Service), qui garantit un accès rapide et une souplesse d’utilisation en s’affranchissant d’un fonctionnement classique sous forme de licences.

Le recours à une solution SaaS est particulièrement novateur pour la mise à disposition d’un outil développé initialement à des fins de R&D : nous le faisons évoluer régulièrement en fonction des retours de nos partenaires, dont certains ont manifesté leur intérêt à la fois pour les développements des motorisations thermiques à très haut rendement, mais aussi des motorisations hybrides. »

Stéphane Jay, chef du projet LES

 

LES4ICE 
Les Rencontres scientifiques d'IFPEN :
LES for Internal Combustion Engine Flows [LES4ICE]
IFPEN / Rueil-Malmaison - 11-12 Décembre 2018
www.rs-les4ice.com
 

 

« Toyota Motorsport GmBH has successfully tested the Omega meshing tool and AVBP solver on two engine configurations and validated the mean flow calculation against Optical diagnostic (Particle Image Velocimetry). The next phase is to validate the mixture preparation process and proceed to combustion calculations to assess cycle to cycle variations. »

 Toyota Motorsport GmBHYann DROUVIN - Manager Engine FEA and CFD,
Olivier BENOIT - Principal Engineer Engine CFD
Toyota Motorsport GmBH

 

Contacts

Bertrand Gatellier

  • Responsable du programme "Motorisations et systèmes"

Antonio Pires Da Cruz

  • Responsable du programme "Carburants et Émissions"