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Recherche fondamentale
Actualités 25 mai 2021

Modélisation de la combustion à haut Karlovitz dans les moteurs à allumage commandé

Edouard Suillaud, doctorant à IFPEN, a travaillé à mieux décrire la combustion dans les régimes à nombres de Karlovitz élevés présents dans les nouvelles chambres de combustion des moteurs à allumage commandé, description jusqu’ici limitée par des modèles non conçus pour de tels régimes. L’extension du modèle de flamme cohérente (CFM) au régime de « zone de réaction mince » (TRZ) a donné des résultats encourageants.

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Thomas LEROY

Chef de Projet Stockage et Systèmes Energétiques pour la Mobilité Electrifiée
Thomas Leroy est diplômé de l’ESSTIN et a effectué sa thèse de doctorat en Mathématiques et Automatique au Centre Automatique et Systèmes de l’école des Mines ParisTech, soutenue en 2010. Il a ensuite
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Stéphane RAUX

Chef de projet / Docteur en Génie des procédés et technologies avancées
Stéphane Raux, diplômé de l’école d’ingénieur ESTACA et titulaire d’un doctorat en génie des procédés et technologies avancées de Sorbonne Université-UPMC, travaille depuis 1997 à IFP Energies
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Gilles Bruneaux

Chef de département, docteur en énergétique,
spécialiste des diagnostics optiques pour la combustion moteur
Diplôme d’ingénieur de l'Ecole Centrale Paris en 1992. Doctorat sur la modélisation de la combustion dans les moteurs à combustion interne à l’IFPEN/Ecole Centrale Paris, 1996. HDR de l'Université d
Enjeux et prospective

Les véhicules essence et Diesel

Depuis son invention, l’automobile fonctionne majoritairement à l’aide d’un moteur thermique à combustion interne, à 4 temps. En Europe, il est surtout alimenté à l’essence (moteur à allumage commandé) ou au gazole (moteur Diesel).

Des progrès technologiques importants ont permis d’augmenter le rendement des moteurs thermiques en vue de réaliser des économies d’énergie et de diminuer très fortement les émissions de polluants. La préoccupation écologique est au cœur de la recherche sur le développement des moteurs.
 

 

moteur combustion
Carnot IFPEN Transports Energie
Innovation et industrie

Carnot IFPEN Transports Energie

Le Carnot IFPEN Transports Energie membre du réseau Carnot depuis près de 15 ans...

Le Carnot IFPEN Transports Energie a reçu le label « Institut Carnot », dès son lancement par le ministère de l’Enseignement supérieur, de la Recherche et de l’Innovation, en 2006. Au sein du réseau qui compte aujourd’hui 39 Carnot, il poursuit depuis près de 15 ans sa mission : préparer l'avenir industriel et économique en accélérant le transfert de technologies de la recherche vers le mode socio-économique.
> Carnot IFPEN Transports Energie
 

... et engagé dans deux filières Carnot

Les Carnot impliqués dans un même secteur de marché s’organisent et regroupent leurs moyens pour faire bénéficier les entreprises d’une offre de partenariat et de transfert de connaissances et de technologies complète et lisible. Le Carnot IFPEN Transports Energie est engagé dans les filières :
> Carnauto, dédié à l'automobile et la mobilité,  en tant que coordinateur
> AirCar : dédiée à l'aéronautique, en tant que membre

 

Motorisations thermiques
Innovation et industrie

Motorisations thermiques

Carnot IFPEN Transports EnergieMOTORISATIONS THERMIQUES      
Contexte et enjeux

En complément à l’électrification, l'atteinte des objectifs ambitieux de réduction des émissions de CO2 du secteur des transports et du off-road à l'horizon 2030 impose une nette amélioration des motorisations thermiques utilisant des carburants à faible empreinte environnementale ou d’hydrogène renouvelable, de manière à :

  • rendre accessible à tous les usages des technologies sobres et efficientes,
  • recourir à un degré d'hybridation croissant en fonction du type d'application,
  • viser de forts rendements moyens des moteurs thermiques et des émissions proches de zéro,
  • accélérer l’utilisation d’hydrogène renouvelable.


Quatre objectifs principaux vont permettre de relever ces défis :


1 - Augmenter significativement le rendement thermodynamique des motorisations thermiques :
 

  • par l'optimisation des technologies existantes ou émergentes,
  • mais aussi par l'introduction de solutions en rupture,
  • tout en veillant à conserver un système de dépollution simple et efficace sur toute sa plage de fonctionnement.


2 - Atteindre des niveaux d’émissions de polluants avec un impact nul sur la qualité de l’air en usage réel et pour toute la durée de vie du véhicule, selon trois axes :
 

  • développer des systèmes de post-traitement innovants,
  • qualifier finement l’impact des émissions sur la qualité de l’air,
  • contrôler en temps réel les émissions de polluants.


3 - Développer des moteurs à hydrogène permettant l’utilisation des moyens de production industriel existants :
 

  • concevoir des systèmes de combustion optimisés, 
  • adapter la boucle d’air et son contrôle,
  • identifier des systèmes de post-traitement pour un impact nul sur la qualité de l’air.


4 - Identifier les carburants présentant un double impact pour réduire les émissions de CO2 :
 

  • par leur origine non fossile (biocarburants et carburants de synthèse ou E-Fuels),
  • et grâce à leurs propriétés favorables à l’amélioration du rendement des moteurs.
     

 

 Moteur à mélange pauvre, moteur à richesse 1 - World Trend

 

La part des carburants liquides dans le transport terrestre restera encore significative les prochaines années. A l’horizon 2040, elle sera à plus de 80 % au niveau mondial (source : BP) et entre 60 et 70% en Europe (scénarios WAPO).

 

Apporter des réponses technologiques innovantes afin de réduire la consommation
et les émissions de CO2 des motorisations thermiques et améliorer la qualité de l’air.

Nos solutions

Nos réseaux

Nos atouts

 

Motorisations thermiques
Innovation et industrie

Nos solutions

Carnot IFPEN Transports EnergieMotorisations thermiques      
Nos solutions

Pour réduire l’impact environnemental des motorisations thermiques, IFPEN mène des travaux destinés à augmenter le rendement des moteurs thermiques et à réduire les émissions de polluants. Ils ont aussi pour objet d’identifier les carburants bas carbone (gaz naturel, biocarburants et carburants de synthèse ou E-Fuels et hydrogène) présentant les bilans énergétiques et environnementaux les plus favorables et à optimiser leur utilisation dans les moteurs.

Ainsi, les champs d’expertise IFPEN couvrent :
 

  • Le développement de motorisations thermiques haute-performance,
  • L’utilisation de carburants très bas carbone et de l’hydrogène,
  • La qualification des émissions et le développement de systèmes de post-traitement,
  • Le développement de logiciels de modélisation et de simulation.
     

Motorisation haute performance : des systèmes de combustion innovants

IFPEN travaille essentiellement sur les motorisations à allumage commandé (essence, gaz naturel et hydrogène) et vise des gains de rendement en rupture, permettant de réduire les émissions de CO2 des véhicules thermiques essence, MHEV (Mild Hybrid Electric Vehicle) ou PHEV (Plug-in Hybrid Electric Vehicle), de 10 % à horizon 2025 et d’environ 20 % à horizon 2030, tout en veillant à conserver un système de dépollution efficace sur toute la plage de fonctionnement.

Essence

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

  • d’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.
  • d’atteindre des taux de compression très élevés, supérieurs à 13:1.
  • de réduire des émissions de particules de façon très significative et sur tout le spectre d’émission, dès 10 nm.

 

Motorisation haute performance

> En savoir plus sur le concept Swumble™ : systèmes de combustion à haut rendement pour véhicules hybrides (en anglais)

Des innovations concernant le contrôle de la boucle d’air ou le système de combustion sont explorées dans le cadre du projet européen Phoenice. Démarré en 2021, ce projet a pour objectif d’améliorer le rendement et les émissions d’un véhicule hybride rechargeable. Sur de plus faibles TRL, le programme européen Eagle et des études collaboratives ont permis de situer le potentiel en rendement et en émissions des motorisations essence mélange pauvre.

Gaz naturel

La technologie Swumble™ est déclinée pour une alimentation au gaz naturel destinée aux applications poids lourd, notamment dans le cadre du projet européen LongRun.

Hydrogène

IFPEN développe des technologies clés dans les domaines des systèmes de combustion, de la boucle d’air et du contrôle. 
> Tout savoir sur les solutions IFPEN au service de la mobilité hydrogène


Carburants très bas carbone : une expertise unique 

IFPEN propose une approche intégrée unique de l’étude des différents carburants : Conventionnels, biocarburants et carburants de synthèse ou E-Fuels, gaz naturel, hydrogène…

Cette approche se décline sur toute la chaîne de valeur, pour les domaines automobile, aéronautique et maritime :

  • Formulation : Transformation et respect des spécifications pour les carburants conventionnels et les biocarburants et les carburants de synthèse, adaptation à des cas d’usage
  • Impact sur les propriétés d’usage : Stabilité à l’oxydation, tenue au froid, compatibilité entre les matériaux et le carburant, etc.
  • Modélisation des propriétés physico-chimiques,
  • Performances du moteur (rendement, émissions polluantes) en prenant en compte les contraintes environnementales et économiques associées.


 

dispositif de fabrication de carburants

 

Les carburants durables, fabriqués à partir de matières premières d’origine biologique ou d’électricité décarbonée sont un levier indispensable dans la réduction de l’impact du transport sur les émissions de gaz à effet de serre. Compatibles avec des motorisations thermiques existantes, ils permettent d’assurer une transition durable vers un parc de plus en plus électrifié. Ils constituent aussi une solution pertinente pour la décarbonation à long terme du transport longue distance, qu’il soit terrestre, aérien ou maritime, où l’électrification massive est plus difficilement déployable. 

Les travaux d’IFPEN permettent de qualifier l’impact des carburant sur des technologies moteur récentes, notamment celles développées par IFPEN. Le carburant peut aussi contribuer à l’amélioration du rendement de manière significative (gain > 1 %) notamment en augmentant le RON (Research Octane Number) au-delà de 100. 

L’expertise d’IFPEN permet de :
 

  • Etudier la compatibilité des carburants bas carbone avec les motorisations existantes (systèmes moteurs, matériaux et lubrifiants), leurs mécanismes de vieillissement et leurs modes d’oxydation et de combustion.
  • Identifier les mécanismes complexes d’oxydation des carburants, en particulier bio ou E-fuels (propriétés d’usage, stabilité des produits dans le temps, impact sur les émissions…).
  • Développer des outils numériques permettant d’optimiser leur combustion. 
  • Améliorer la compréhension et la modélisation des phénomènes d’oxydation des carburants via des méthodes d’apprentissage machine et d’intelligence artificielle.


Emissions locales polluantes réduites 

Qualification des émissions

IFPEN est en mesure de qualifier les émissions des véhicules, de façon précise et parfaitement fiable.

Son expertise repose sur :
 

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


Dans le cadre des projets Ademe Rhapsodie et Rhapsodie2, IFPEN a livré une vision très complète des émissions de polluants réglementés et non réglementés, présents à l’échappement de véhicules représentatifs du parc automobile français.  

IFPEN développe également 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.

Systèmes de post-traitement/ réduction des émissions 

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

Enfin, IFPEN développe 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.


Modéliser et simuler 

Modélisation de la combustion hydrogène

Précurseur de l’utilisation de l’hydrogène dans les moteurs à combustion interne, IFPEN a naturellement développé de nouveaux outils avancés de modélisation permettant la simulation fiable et prédictive de ces nouvelles motorisations

Modélisation de la combustion interne

IFPEN dispose d’une longue expérience en matière de développement de modèles pour les moteurs à combustion interne : sa 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 ses équipes de recherche. IFPEN est 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. 

Des modèles de simulation en mode SaaS

IFPEN développe des modèles LES (Large-Eddy Simulation ou Simulation aux grandes échelles), qu’il utilise dans ses programmes de recherche. Leur potentiel pour aider les constructeurs à améliorer le rendement des motorisations thermiques a poussé à proposer une valorisation de ces outils dans le logiciel CONVERGE™ de son partenaire CSI (voir ci-dessus) et à travers la plateforme ACCESS-LES, via une solution en mode SaaS (Software as a Service), qui garantit un accès rapide à des moyens de calcul avancés (puissance de calcul, stockage de données, post-traitement avancé de résultats de simulation) et une grande souplesse d’utilisation. 

Simulation de systèmes complexes

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. IFPEN travaille depuis une quinzaine d’année sur une approche de modélisation système, appliquée à l’ensemble de la chaîne de conception des nouveaux GMP et propose trois librairies de modèles, co-développées avec Siemens Digital Industries 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,
  • IFP-Drive : modélisation globale du GMP et du véhicule.


 

Motorisations thermiques
Innovation et industrie

Nos réseaux

Carnot IFPEN Transports EnergieMotorisations thermiques      
nos réseaux

Groupement Scientifique Energies et Mobilités

Créé en 1980, le GSEM réunit IFPEN, Renault et Stellantis dans un effort de recherche commun sur les motorisations thermiques. Au fil du temps, cette collaboration a su s’adapter aux évolutions des technologies et des besoins du marché.

« Le GSEM mène des travaux de recherche :

  • amont : évaluation de concepts, identification de technologies à potentiel,
  • mais peut aussi fournir un accompagnement sur des problématiques métiers (analyse de retours clients),
  • ou sur la mise en place d’outils logiciels et de méthodologies de conception.


Nous y contribuons en apportant à la fois nos compétences et nos moyens de recherche. Les travaux du GSEM visent à améliorer la qualité de l’air en réduisant la consommation et les émissions de CO2 des motorisations thermiques ; depuis deux ans, l'activité se concentre principalement sur les motorisations essence, qui ont vocation à être intégrées dans une chaîne de traction électrifiée. Des réflexions sont également en cours pour identifier les futures générations de convertisseurs d’énergie les mieux adaptés à la mutation de la filière énergétique à horizon post-2030. C’est l’une des forces du GSEM que de savoir évoluer avec son temps. »

Benjamin Réveillé, chef du projet GSEM, IFPEN  

 

Projet H2020 LongRun : des poids lourds et autocars plus respectueux de l’environnement

 

Logo de Long Run

Le projet LongRun « Development of efficient and environmentally friendly LONG distance poweRtrain for heavy dUty trucks aNd coaches » a été lancé début 2020 dans le cadre du programme européen Horizon 2020. Ce projet, qui durera trois ans et demi, est mené avec 30 partenaires* répartis dans 13 pays. Son but est de développer un ensemble complet de chaînes de traction pour poids lourds et autocars plus respectueux de l’environnement.

Les équipes d'IFPEN, dans le cadre du Carnot IFPEN Transports Energie, apportent notamment leurs compétences sur la conception et la caractérisation de systèmes de combustion pour carburants à faible impact CO2 (gaz, hydrogène, dual fuel, biocarburants), ainsi que sur le développement de services connectés d’eco-routing et d’eco-driving pour amplifier la réduction d’énergie consommée. LongRun contribuera également à établir des feuilles de route sur la technologie du groupe motopropulseur et de la chaîne de traction et les futurs carburants à faible impact CO2, pour alimenter les réflexions de la Commission européenne et orienter les futurs programmes de R&D.

* principaux équipementiers de camions et d’autocars ainsi que leurs fournisseurs et partenaires de recherche.

Ce projet a bénéficié d’un financement de la part du programme de recherche et d’innovation de l’Union européenne H2020 au titre de la convention de subvention 874972.


Projet H2020 PHOENICE : vers un véhicule hybride rechargeable zéro émission
 

Coordonné par IFPEN et mené avec 7 acteurs industriels et académiques, le projet Phoenice (PHev towards zerO EmissioNs & ultimate ICE efficiency), démarré en 2021, a pour objectif de développer un démonstrateur de véhicule électrique hybride rechargeable avec un niveau de consommation de carburant et d’émissions de polluants réduit. IFPEN interviendra principalement sur la conception du système de combustion basé sur le concept Swumble™, la conception du système de post-traitement, la réalisation des moteurs prototypes et la calibration énergétique du moteur multicylindre.

Phoenice contribuera à accélérer la transition vers une mobilité plus respectueuse de l'environnement en termes de qualité de l’air et de réduction des émissions de gaz à effet de serre, Les partenaires du projet sont : CRF/FCA (centre de recherche du groupe Fiat), FEV Europe, Johnson Matthey, Marelli Europe, Garrett Motion France, Politecnico di Torino et In Extenso Innovation Croissance.

Ce projet a bénéficié d’un financement de la part du programme de recherche et d’innovation de l’Union européenne H2020 au titre de la convention de subvention 101006841.
 

Projet ANR Ofelie : Une connaissance des carburants oxygénés approfondie

Coordonné par IFPEN dans le cadre du Carnot IFPEN Transports Energie, le projet ANR Ofelie a été lancé en septembre 2021 pour une durée de trois ans. Le projet, qui réunit des constructeurs automobiles (Stellantis et Renault) et des laboratoires de recherche (PC2A, LRGP) doit permettre de compléter les connaissances sur les phénomènes physico-chimiques liés à l’utilisation croissante de carburants oxygénés.


Projet LowCarbfuels.dk : Des carburants durables pour le transport aérien et maritime

Soutenu par un fond de recherche et innovation danois et associant plus d’une dizaine de centres de recherche et d’universités européennes, ce projet cherche à promouvoir le développement de carburants durables par la voie HTL (Hydrothermal Liquefaction ou Liquéfaction Hydrothermique). IFPEN contribue à la définition des matrices de carburants à étudier, à l’analyse de produits issus du procédé HTL et au test de leur conformité par rapport aux normes de certification dans les domaines aérien et maritime. 


Projet Hymot : un démonstrateur pour une offre de véhicules utilitaires décarbonés

Le projet HyMot (moteur à hydrogène) rassemble huit partenaires industriels et académiques parmi lesquels Bosch (coordinateur), Renault, Alpine Racing, Faurecia, OSE Engineering, Total, l’École centrale de Nantes et IFPEN à travers le Carnot IFPEN Transports Energie. Le projet vise à démontrer la faisabilité de la décarbonation d’un véhicule utilitaire par conversion de son moteur à combustion interne à l’hydrogène, en alternative à une électrification couplée à une pile à combustible hydrogène. Les équipes du Carnot IFPEN TE apporteront leur expertise récemment consolidée dans le domaine des motorisations thermiques à hydrogène pour concevoir le système de combustion.

 

 

Motorisations thermiques
Innovation et industrie

Nos atouts

Carnot IFPEN Transports EnergieMotorisations thermiques      
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Des outils de simulation de conception et des moyens expérimentaux de validation performants :

  • des outils de modélisation développés par nos équipes et utilisés pour nos travaux de recherche,
  • des moyens d’expérimentation complets : bancs moteurs poids lourds et véhicules légers, dont moteur à hydrogène, bancs à rouleaux, bancs climatiques, diagnostic optique, bancs HIL.


Une expertise reconnue dans le domaine de l’adéquation moteur/carburant grâce un positionnement unique sur toute la chaîne et une maîtrise conjointe des :

  • procédés,
  • produits,
  • usages.


Une expertise sollicitée par les pouvoirs publics 

A retenir

Afin de définir, en toute transparence, les performances environnementales de l’offre actuelle de voitures essence et diesel (Euro6d-Temp), IFPEN et le ministère de la Transition écologique (MTE) ont lancé une étude scientifique d’évaluation des émissions polluantes et de gaz à effet de serre (GES). Cette étude s’est focalisée sur les émissions de gaz à effet de serre et de polluants locaux d’un panel de 22 véhicules représentatifs des modèles vendus en France. Le rapport d’étude a été publié fin 2020.

 

Science@ifpen n°32
Brèves

Simuler l’allumage

Afin de réduire la consommation des moteurs essence, les constructeurs misent sur la suralimentation et la réduction de la cylindrée. Ce choix conduit cependant à une augmentation du phénomène de