Brevet FR2885392A1 — publié le 20061110

L'invention concerne la conception de systèmes de combustion de moteurs thermiques comprenant une chambre de combustion équipée d'un injecteur d'essence. L'optimisation d'un tel système de combustion est fortement dépendante du couplage existant entre le dispositif d'injection et la chambre de combustion. l'injection conditionne le mélange d'air et de carburant, ce qui détermine les conditions de combustion, et donc notamment la formation de polluants. La conception d'un tel système est réalisée avec des méthodes de simulation numérique associées à des essais. Ces essais permettent de valider les résultats de simulation numérique, et ils fournissent des données expérimentales permettant le cas échéant de recaler le modèle numérique. Dans le modèle numérique utilisé, la chambre de combustion est modélisée par discrétisation en volumes élémentaires, et l'injecteur est défini sur la base de modèles physiques existants qui sont paramétrés à partir des données expérimentales. Une modification de la géométrie de la chambre de combustion peut être facilement transcrite dans le modèle pour effectuer une simulation numérique du comportement de la chambre de combustion modifiée. Mais le modèle d'injecteur utilisé est défini et paramétré à partir de données expérimentales issues d'un essai qui est réalisé à un point de fonctionnement considéré. Une simulation à un autre point de fonctionnement, selon d'autres paramètres d'injection, ou simplement avec une orientation différente de l'injecteur nécessite d'effectuer des essais correspondants pour définir un modèle d'injecteur qui traduit correctement ces nouvelles conditions. Concrètement, une modification de l'orientation ou de la position de l'injecteur nécessite de fabriquer un prototype de culasse approprié pour effectuer des essais permettant d'examiner le fonctionnement du système de combustion. De manière analogue une modification de la pression d'injection ou d'un autre paramètre d'injection implique de fabriquer un prototype d'injecteur et d'effectuer des essais physiques de ce prototype pour définir et utiliser un modèle numérique valide. Cette situation est due à la complexité des phénomènes physiques intervenant dans le processus d'injection, qui ne sont pas complètement résolus par les modèles mathématiques utilisés. La modélisation de l'injection de carburant utilise une formulation Eulérienne des équations de Navier Stokes en phase gazeuse continue, et une formulation Lagrangienne des équations du mouvement et de bilans énergétiques en phase liquide dispersée. Mais cette modélisation ne permet pas de résoudre les équations de la physique de l'écoulement de liquide à l'immédiate proximité de la buse, c'est à dire à environ un millimètre de celle-ci. Il est donc notamment nécessaire d'initialiser les équations lagrangiennes décrivant le liquide, ce qui est fait à partir de données expérimentales issues d'essais de l'injecteur au point de fonctionnement considéré. Ces essais permettent de déterminer et d'introduire dans le modèle numérique des caractéristiques telles que la taille des gouttes et leur vitesse, en fonction du temps et de l'espace. La conception et l'optimisation d'un système de combustion nécessitent par conséquent de nombreux essais physiques, ce qui implique de fabriquer autant de prototypes, induisant un coût de développement très important. Le but de l'invention est de proposer une méthode de détermination d'un modèle numérique d'injecteur permettant de faire facilement des variations de position, d'orientation, de pression d'injection, de type d'injecteur, pour un faible coût. A cet effet, l'invention a pour objet une méthode pour définir des valeurs significatives du comportement d'un injecteur d'essence dans une chambre de combustion de moteur à combustion interne, pour reproduire par simulation numérique le comportement de cet injecteur à plusieurs points de fonctionnement, ces valeurs étant des paramètres d'un modèle physique d'évaporation, de traînée et d'atomisation mis en uvre dans la simulation numérique, cette méthode comprenant les étapes suivantes. a) effectuer des essais et des mesures à différents points de fonctionnement pour obtenir des données expérimentales significatives du comportement de l'injecteur en conditions thermodynamiques froides et en conditions thermodynamiques chaudes; b) choisir un jeu de valeurs de paramètres et effectuer une simulation numérique avec ce même jeu de valeurs de paramètres pour chaque point de fonctionnement ayant fait l'objet d'un essai, puis comparer les résultats de chaque simulation numérique avec les données expérimentales; c) modifier les valeurs de paramètres si les résultats des simulations numériques sont éloignés des données expérimentales et reprendre en b), et arrêter le choix des valeurs de paramètres si les résultats des simulations sont suffisamment proches des données expérimentales. Selon une caractéristique de l'invention, les essais et mesures sont effectués d'une part en conditions thermodynamiques froides à trois pressions d'injection et à trois temps d'injection correspondant à deux points extrêmes et à un point médian de fonctionnement du moteur, et d'autre part en conditions thermodynamiques chaudes à trois pressions d'injection et trois couples de température et de pression de la chambre d'injection correspondant à deux points extrêmes et à un point médian de fonctionnement du moteur. Selon une autre caractéristique de l'invention, les valeurs de paramètres choisis incluent des conditions initiales d'injection comprenant une valeur de taille initiale des gouttes, une valeur de vitesse initiale des gouttes, et au moins une valeur d'angle d'introduction des gouttes, pour initialiser un modèle Lagrangien de phase liquide qui est mis en uvre dans la simulation numérique. Selon une autre caractéristique de l'invention, les grandeurs comparées en b) sont des valeurs de pénétration de liquide dans la chambre de combustion, des valeurs de pénétration de vapeur et de vitesse d'évaporation en conditions thermodynamiques chaudes, et des valeurs de taille de gouttes à une distance prédéterminée de l'injecteur. Selon une autre caractéristique de l'invention, les étapes b) et c) sont mises en oeuvre de façon automatisée par implémentation d'un algorithme générique d'optimisation de paramètres. L'invention sera maintenant décrite plus en détail, et en référence aux dessins annexés qui en illustrent une forme de réalisation à titre d'exemple non limitatif. L'invention sera mieux comprise, et d'autres buts, caractéristiques, détails et avantages de celle-ci apparaîtront plus clairement au cours de la description explicative qui va suivre faite en référence aux dessins schématiques annexés donnés uniquement à titre d'exemple illustrant un mode de réalisation de l'invention et dans lesquels: La figure 1 est une représentation schématique d'un système de combustion vu en coupe; La figure 2 est un organigramme représentatif de la 35 méthode selon l'invention; La figure 3 est un organigramme représentatif d'une méthode de l'Etat de la technique. La figure 1 représente un exemple parmi d'autres de système de combustion pour moteur à injection directe d'essence. L'arrangement géométrique des différents composants peut varier de façon importante en fonction du concept de combustion retenu, mais la problématique de l'injection reste commune à tous ces concepts. Dans l'exemple de la figure 1, un système de combustion 1 comprend une chambre de combustion délimitée par des parois 2 et par une tête de piston 3. Un injecteur 4 et une bougie d'allumage 5 sont montés en partie supérieure de cette chambre de combustion, pour introduire dans celle-ci du carburant, et pour déclencher sa combustion. L'injecteur 4 introduit dans cette chambre de combustion du carburant 7, selon une répartition sensiblement dispersée, appelée spray. En sortie d'injecteur, c'est-à-dire à environ un millimètre de la buse d'injection, le carburant est dans une phase dite liquide dense, repérée par 8 pour laquelle il n'existe pas de modélisation physique pertinente, puis il se répartit dans une phase dite liquide dispersée, repérée par 9, et dans laquelle il se présente sous forme d'une multitude de gouttes, qui s'évaporent ensuite pour donner une phase dite gazeuse. Le comportement du jet de carburant qui est injecté dans la chambre de combustion est fortement conditionné par le point de fonctionnement considéré. On distingue les conditions thermodynamiques dites froides, conduisant à une répartition du carburant dans la chambre appelée bombe froide, et les conditions thermodynamiques chaudes correspondant au fonctionnement du moteur en conditions réelles et donnant une répartition du carburant appelée bombe chaude. La méthode selon l'invention repose sur des essais physiques et permet de caractériser le spray au moyen d'une simulation numérique d'écoulements diphasiques utilisant une approche lagrangienne pour la phase liquide dispersée et une approche eulérienne pour la phase gazeuse continue. Elle conduit à un modèle numérique d'injecteur qui est qualifié d'injecteur virtuel parce qu'il ne contient pas de modèle numérique de la géométrie de l'injecteur, au contraire de la chambre de combustion dont la géométrie est discrétisée en volumes élémentaires. L'injecteur virtuel est un ensemble de grandeurs numériques permettant d'initialiser le modèle lagrangien de la phase liquide. Ces grandeurs sont notamment des paramètres tels que la vitesse et la taille des gouttes en fonction du temps et de l'espace, la température du liquide, l'orientation angulaire des jets liquides, et la vitesse d'atomisation caractéristique. Cette méthode comprend une première étape de tests pour déterminer si l'injecteur se prête ou non à une modélisation numérique, une seconde étape d'essais pour déterminer des données expérimentales caractéristiques de l'injecteur, une troisième étape de choix de modèles physiques à mettre en uvre dans la simulation numérique, une quatrième étape d'ajustement de paramètres de calcul de la simulation numérique, et une cinquième étape d'ajustement des paramètres de modèles physiques et de conditions initiales d'introduction du carburant pour obtenir des résultats de simulation proches des données expérimentales. L'injecteur est avant tout étudié en ce qui concerne notamment l'orientation de la buse et son débit statique et autres pour définir le domaine de calcul c'est-à-dire la géométrie globale de la bombe, et pour prédéterminer les modèles physiques à mettre en uvre. On utilise d'abord les paramètres géométriques de l'injecteur, notamment l'orientation de la buse et le nombre de trous qu'elle comporte pour définir le domaine de calcul, c'est-à-dire la géométrie globale de la bombe. Ensuite, les informations sur le débit statique sont utilisées pour alimenter les paramètres des modèles physiques. La première étape est un test pour s'assurer que l'injecteur considéré a un fonctionnement répétable, du fait que la modélisation numérique retenue traite un cas moyen au sens statistique du terme. Cette première étape consiste à effectuer des essais de l'injecteur pour visualiser l'injection afin de vérifier que des grandeurs telles que la pénétration de liquide et les angles caractéristiques du spray ont des variations suffisamment faibles sur un nombre d'évènements significatif. Avantageusement, on s'assure que ces grandeurs ont des variations inférieures à cinq pourcent, par rapport à une valeur moyenne qui est déterminée sur la base de tous les évènements visualisés durant l'essai. Cet essai qui apparaît au bloc B1 de la figure 2 est réalisé à plusieurs points de fonctionnement en bombe chaude haute pression. Ces différents points de fonctionnement correspondent à trois pressions d'injection, et à trois couples pression/température, qui correspondent à deux points extrêmes et à un point médian de fonctionnement du moteur. La seconde étape consiste à effectuer des essais, qui apparaissent également au bloc Bl, pour obtenir des données expérimentales significatives du spray qui sort de l'injecteur, ces données étant ensuite utilisées pour établir et valider le modèle numérique. Il s'agit de caractéristiques géométriques externes de l'injecteur, et de caractéristiques du spray dans des conditions thermodynamiques froides et chaudes. Les aspects géométriques externes de l'injecteur à identifier sont principalement les dimensions et les angles caractéristiques d'ouverture ou de la buse de sortie du carburant. Les caractéristiques du spray sont déterminées dans un premier temps en conditions thermodynamiques froides, pour trois pressions d'injection et pour trois temps d'injection, qui correspondent aux points extrêmes et au point médian de fonctionnement du moteur. Les grandeurs identifiées sont un taux d'introduction de carburant, une valeur de pénétration de liquide, une valeur d'angle d'ouverture du spray, l'allure du champ liquide, et la taille ainsi que la vitesse des gouttes. Le taux d'introduction est déterminé par mesure de débitmétrie hydraulique instationnaire. La pénétration de liquide, l'angle d'ouverture du spray, et l'allure du champ liquide sont définis par visualisation instationnaire dans une bombe haute pression. La taille et la vitesse des gouttes sont mesurées dans deux plans perpendiculaires à l'axe du spray, distants d'environ vingt-cinq millimètres, dans une plage de dix à soixante millimètres de la buse. Le plan le plus proche de la buse devant être choisi pour ne pas être perturbé par la densité de liquide. Ces mesures sont effectuées par analyseur de particules à doppler phasé, connu sous l'acronyme anglais PDPA (Phase Doppler Particle Analyser). Dans un second temps, on effectue des essais pour obtenir les caractéristiques du spray en conditions thermodynamiques chaudes, c'est à dire représentatives de celles présentes dans la chambre de combustion en fonctionnement. Ceci est effectué pour trois pressions d'injection et pour trois couples pression/température correspondant aux points extrêmes et au point médian de fonctionnement du moteur. Les grandeurs identifiées sont une valeur de pénétration de liquide, une valeur de pénétration de vapeur, l'allure du champ de vapeur, et une valeur de temps d'évaporation global. Ces grandeurs sont déterminées pour une bombe haute pression par diagnostic optique approprié tel qu'ombroscopie ou outre, l'ensemble des acquisitions étant réalisé pour un nombre suffisant d'injections afin d'obtenir des valeurs moyennes significatives. Une visualisation en gros plan de la buse de l'injecteur est également réalisée pour détecter si de la vapeur sort directement de l'injecteur, c'est-à-dire s'il 5 existe des phénomènes de cavitation. La troisième étape, qui apparaît au bloc B2, consiste à choisir des modèles physiques parmi différents modèles existants, le modèle numérique d'injecteur étant défini par plusieurs modèles physiques différents. Ces modèles physiques sont plus particulièrement un modèle de traînée, un modèle d'évaporation et un modèle d'atomisation. Le modèle de traînée et le modèle d'évaporation sont choisis à partir du nombre de Mach basé sur la différence de vitesse entre une goutte et l'écoulement gazeux autour d'elle. Le modèle d'atomisation est choisi pour être adapté au mode d'instabilité dominant de la forme liquide qui s'atomise en petites gouttes. La quatrième étape qui apparaît dans le bloc B3 consiste à choisir des paramètres de calcul de la simulation numérique qui soient optimaux en ce qui concerne le rapport optimal entre la précision ou stabilité des résultats de la simulation numérique et temps de calcul. Ces paramètres de calcul numérique sont la taille de cellule du maillage discrétisant le domaine géométrique et d'une valeur d'incrément de temps. La taille de cellule doit varier dans une plage restreinte aux limites compatibles avec l'approche de modélisation lagrangienne de la phase liquide dispersée. La simulation numérique inclut un code de calcul tridimensionnel basé sur les modèles mathématiques de Navier-Stokes ou utilisant une approche de modélisation RANS. Cette étape est itérative et consiste à effectuer une simulation, à réduire les valeurs des paramètres de calcul, à effectuer une autre simulation avec les nouveaux paramètres de calcul, et à comparer les résultats des simulations successives. Le choix des paramètres de calcul est défini lorsque le résultat fourni par la simulation numérique n'évolue plus à une variation des paramètres numériques. Cette étape peut être réalisée en divisant le pas de temps et la taille des cellules par deux à chaque itération. Lorsque les paramètres de calcul de la simulation numérique sont choisis, ils sont utilisés dans toutes la suite de la méthode. La cinquième étape consiste à déterminer les paramètres physiques de chaque modèle physique choisi à la troisième étape, et les paramètres des conditions initiales de l'écoulement de la phase liquide, toutes ces grandeurs apparaissant au bloc B2. Les conditions initiales sont la taille initiale des gouttes et leur vitesse initiale en fonction du temps et de l'espace, ainsi que les angles d'introduction des gouttes. La recherche d'un jeu de valeurs pour les paramètres physiques unique pour toute une plage de fonctionnement permet de définir un modèle d'injecteur virtuel global utilisable quelque soit le point de fonctionnement moteur. Le choix des paramètres de chaque modèle physique et des conditions initiales est effectué par comparaison des résultats de simulation numérique avec les données expérimentales issues de la première étape, ce qui correspond à la boucle liant le bloc B4 au bloc B2, ces paramètres étant choisis pour respecter un critère de précision souhaitée. A partir d'un même jeu de paramètres physiques du modèle d'injecteur, une simulation numérique est effectuée pour chaque point de fonctionnement qui a fait l'objet d'un essai à la première étape. La comparaison entre résultats de simulation et données expérimentales est ensuite faite pour les grandeurs suivantes: la valeur de pénétration liquide, la forme du spray liquide, la valeur de pénétration de vapeur, la répartition spatiale de vapeur et de liquide, le temps nécessaire à l'évaporation complète du liquide injecté, la fonction de densité de probabilité de taille et de vitesse de gouttes dans les plans à 30 et 50 millimètres de la buse de l'injecteur. Cette comparaison est faite pour chacune de ces grandeurs, et à chaque point de fonctionnement, sur la base d'un même jeu de paramètres physiques. Les comparaisons à partir de visualisations sont réalisés sur la base d'images représentant des moyennes convergées, le nombre d'images nécessaire à l'obtention d'une moyenne pouvant varier selon le cas considéré. Avantageusement, la comparaison est précédée d'un traitement numérique adapté pour améliorer la précision des comparaisons, ce traitement pouvant être par exemple un traitement d'ombroscopie numérique. La recherche des valeurs des paramètres est faite de façon itérative, en spécifiant en entrée de simulation numérique les grandeurs du bloc B2, c'est à dire la vitesse d'introduction, la taille des gouttes, l'angle du spray, les modèles physiques, la traînée, l'évaporation. La simulation numérique fournit ensuite des résultats concernant la pénétration de liquide et de vapeur, la taille des gouttes dans le spray, la vitesse d'évaporation et la répartition spatiale et temporelle du liquide et de la vapeur. Les résultats de chaque simulation sont comparés avec les données expérimentales, et si chaque comparaison donne une précision suffisante cela signifie que le jeu de paramètres physiques est satisfaisant. Si la précision est insuffisante, les paramètres physiques sont modifiés tant que l'écart entre les résultats de simulation numériques et les données issues des essais est trop grand. Le choix des nouveaux paramètres physiques pour améliorer la précision des résultats sur l'ensemble des comparaisons est fait soit de façon manuelle, soit à l'aide d'outils mathématiques tels que des algorithmes d'optimisation du type algorithme génétique ou autre. Cette méthode permet de définir un injecteur virtuel à partir d'un injecteur réel indépendamment de la technologie d'injection et de la géométrie interne de l'injecteur. La confrontation des résultats des simulations numériques aux données expérimentales en bombes haute pression froide et chaude assure une validité de l'injecteur virtuel en combustion homogène et stratifiée. L'injecteur virtuel obtenu donne des résultats précis en ce qui concerne la taille des gouttes, la répartition de liquide dans l'espace, la répartition vapeur, la quantité d'impact sur les parois de la chambre, ainsi que la vitesse d'évaporation. La définition de l'injecteur virtuel étant faite sur des plages de conditions d'injection et de conditions thermodynamiques larges, l'injecteur virtuel peut être utilisé sans autre réglage que la transcription des paramètres d'injection tels que la pression et durée la d'injection, sur toute la plage de fonctionnement du moteur. Ce modèle numérique ou injecteur virtuel peut ainsi être intégré à un modèle numérique complet du système de combustion. L'organigramme d'une démarche de l'Etat de la technique est donné en figure 3. Cette démarche aboutit à un modèle numérique d'injecteur qui est valide pour certains points de fonctionnement, mais pas dans une large plage de fonctionnement, notamment du fait que la quantité de données expérimentales y est insuffisante, ces données étant notamment limitées à des essais en bombe froide, de sorte qu'il n'est pas possible de définir un unique jeu de paramètres physiques qui soit également valide à d'autre points de fonctionnement, comme par exemple en bombe chaude. La méthode selon l'invention constitue une solution pragmatique de simulation à un niveau macroscopique qui permet de représenter le comportement global de l'injecteur avec une précision suffisante, tout en conservant des temps de calcul acceptables. Cette méthode est indépendante de la géométrie interne et externe de l'injecteur: seules les dimensions caractéristiques de la buse d'injecteur sont nécessaires. Elle offre une démarche systématique pour définir un injecteur virtuel indépendamment de la technologie de l'injecteur. L'injecteur défini selon cette méthode offre une précision élevée en ce qui concerne la taille des gouttes, la répartition de liquide dans l'espace, la répartition de vapeur, la quantité d'impact sur les parois de la chambre, et la vitesse d'évaporation. L'injecteur virtuel ainsi défini est donc valide en ce qui concerne la préparation du mélange et l'impact liquide sur les parois de la chambre de combustion pour toute la gamme de points de fonctionnement moteur. La méthode selon l'invention, assure que les validations suffisantes sont réalisées avant simulation ce qui permet de plus de diminuer le coût global des simulations numériques nécessaires au développement d'un système de combustion. En effet, si l'on applique une méthode de calage de spray insuffisamment validée telle que celle illustrée sur l'organigramme de la figure 3, il est nécessaire de modifier itérativement les paramètres du modèle, ce qui est particulièrement coûteux. L'invention s'applique à de multiples types de moteurs à combustion interne tels que les moteurs à piston, les moteurs rotatifs, utilisés dans le domaine de l'automobile, des motos, des avions légers ou encore des engins de chantier. REVENDICATIONS 1. Méthode pour définir des valeurs significatives du comportement d'un injecteur d'essence (4) dans une chambre de combustion (2) de moteur à combustion interne, pour reproduire par simulation numérique le comportement de cet injecteur (4) à plusieurs points de fonctionnement, ces valeurs étant des paramètres d'un modèle physique d'évaporation, de traînée et d'atomisation mis en oeuvre dans la simulation numérique, cette méthode comprenant les étapes suivantes: a) effectuer des essais et des mesures (Bl) à différents points de fonctionnement pour obtenir des données expérimentales significatives du comportement de l'injecteur (4) en conditions thermodynamiques froides et en conditions thermodynamiques chaudes; b) choisir un jeu de valeurs de paramètres (B2) et effectuer une simulation numérique (B3) avec ce même jeu de valeurs de paramètres pour chaque point de fonctionnement ayant fait l'objet d'un essai (Bl), puis comparer les résultats de chaque simulation numérique avec les données expérimentales (B4) ; c) modifier les valeurs de paramètres (B2) si les résultats des simulations numériques (B3) sont éloignés des données expérimentales (B4) et reprendre en b), et arrêter le choix des valeurs de paramètres si les résultats des simulations sont suffisamment proches des données expérimentales. 2. Méthode selon la revendication 1, dans laquelle les essais et mesures (Bl) sont effectués d'une part en conditions thermodynamiques froides à trois pressions d'injection et à trois temps d'injection correspondant à deux points extrêmes et à un point médian de fonctionnement du moteur, et d'autre part en conditions thermodynamiques chaudes à trois pressions d'injection et trois couples de température et de pression de la chambre d'injection correspondant à deux points extrêmes et à un point médian de fonctionnement du moteur. 3. Méthode selon la revendication 1 ou 2, dans laquelle les valeurs de paramètres choisis (B2) incluent des conditions initiales d'injection comprenant une valeur de taille initiale des gouttes, une valeur de vitesse initiale des gouttes, et au moins une valeur d'angle d'introduction des gouttes, pour initialiser un modèle Lagrangien de phase liquide qui est mis en uvre dans la simulation numérique. 4. Méthode selon l'une des revendications 1 à 3, dans laquelle les grandeurs comparées (B4) en b) sont des valeurs de pénétration de liquide dans la chambre de combustion (2), des valeurs de pénétration de vapeur et de vitesse d'évaporation en conditions thermodynamiques chaudes, et des valeurs de taille de gouttes à une distance prédéterminée de l'injecteur (4). 5. Méthode selon l'une la revendication 4, dans laquelle les étapes b) et c) sont mises en uvre de façon automatisée par implémentation d'un algorithme générique d'optimisation de paramètres.