Projet ANR-15-CE22-0014 – MACDIL : Moteur Allumage Commandé fortement Dilués
Programme : Véhicules propres et sûrs (DS0603) 2015
Année de financement : 2015
Coordinateur du projet : Monsieur Jean-Baptiste Michel (IFP Energies Nouvelles)
Montant : 756385.0 euros
Date de début : 2015
Durée : 48 mois
Résumé : Le moteur à allumage commandé (MAC) équipe aujourd’hui 70% des véhicules légers au niveau mondial  et  devrait encore représenter 50% en 2030. Pour cette raison, il est primordial de réduire les émissions de CO2 du MAC afin de lutter contre l’effet de serre. La technologie MAC privilégiée par les constructeurs automobile est le downsizing qui consiste à réduire la cylindrée tout en accroissant la puissance spécifique par l’utilisation d’un turbo. Elle devrait permettre de réduire les émissions de 20%. Son déploiement est toutefois limité par l’apparition de combustions anormales (cliquetis et pré-allumage) qui limitent le potentiel de l’approche. Afin de réduire celles-ci, les motoristes envisagent d’accroitre fortement le taux d’EGR (gaz brûlés recirculés) passant de 5% à 20, voire 30%. Cet accroissement de l’EGR conduit toutefois à une variabilité cyclique du moteur plus importante et à une réduction de la vitesse de combustion.
Afin d’atteindre de tels taux d’EGR, les motoristes sont amenés à utiliser des stratégie moteur (aérodynamique, timings d’ injection…) de plus en plus complexes, qu’il est impossible d’optimiser par des essais moteur seuls. Dans ce contexte, le calcul tridimensionnel (CFD en anglais) devient un outil de design incontournable. Seulement, pour des taux d’EGR supérieurs à 10%, il a été observé que les modèles de combustion actuels ne sont plus prédictifs. MACDIL propose de lever ce verrou en améliorant la compréhension des régimes de dilution intermédiaire  à élevée, ce qui se concrétisera par le développement de modèles de combustion adaptés dans un code de simulation aux grandes échelles (SGE) et dans un code RANS (Reynolds Averaged Navier Stokes), l’approche dominante dans l’industrie.
La combustion diluée étant complexe à décrire et les conditions opératoires (hautes pressions et températures) limitant fortement la possibilité de mesures expérimentales, l’objectif de MACDIL  est particulièrement ambitieux. Afin de réduire les risques, MACDIL propose une stratégie de recherche intégrée, qui repose d’abord sur une expérience unique appelée NOSE (New One Shot Engine), permettant d’étudier pour la première fois la combustion diluée, à la fois à faible pression et température pour les besoins du développement de modèle mais aussi en conditions moteur, pour la validation de ces modèles. Cette expérience permet une comparaison globale (en terme de pression) avec la CFD mais elle ne donne accès aux propriétés de la surface de flamme turbulente, nécessaires au développement d’un modèle CFD.  Pour cela, des Simulation Numérique Directe (SND), véritables « expériences numériques » seront réalisées sur le NOSE à échelle réduite. L’expérience ne pouvant non plus donner accès à la vitesse de flamme locale, qui est un paramètre essentiel dans les modèles de combustion, un schéma cinétique pour les hautes pressions et dilutions sera développé en s’appuyant sur des méthodes de type ab initio. Il permettre ensuite de générer des tables de vitesse de flamme effective utilisées par le modèle de combustion. Par simplicité, les expériences et simulations CFD de MACDIL seront réalisées avec de l’isooctane comme carburant et le N2 comme diluent. Toutefois, la modélisation cinétique portera aussi sur un mélange représentatif d’une essence commerciale et inclura la composition réelle de l’EGR (CO2 et H2O) afin de rendre les travaux de MACDIL directement utilisables en moteur.
Le modèle SGE sera ensuite évalué en conditions moteur sur l’expérience NOSE et sur de vrais points moteur. Afin de rendre les développements de MACDIL directement exploitables à l’issue du projet, une adaptation RANS des développements SGE sera enfin réalisée dans un code commercial déjà utilisé par PSA et Renault. Ce nouveau modèle RANS sera évalué en fin de projet par ces deux constructeurs sur leur moteurs propres.