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Reaction Design prédit la formation des particules dans les moteurs

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Par publié le à 16h22

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Lorsque la simulation s'approche de l'expérimentation

Si la simulation numérique de la physique et de la chimie de la combustion est aujourd’hui indispensable aux ingénieurs pour prédire et optimiser le rendement de leurs moteurs à explosions, la génération des particules reste encore le domaine des tests physiques. Mais Bernie Rosenthal, CEO de Reaction Design, nous a expliqué comment sa société fait progresser la simulation en la matière.
 

J’ai de nouveau rencontré Bernie Rosenthal, CEO de Reaction Design, afin de faire avec lui un point sur les évolutions de son logiciel Forté, destiné à la simulation 3D des écoulements des fluides et des réactions physico-chimiques mis en jeu dans les moteurs à combustion interne. (Voir notre article de l’an passé)

« Nous sommes focalisés sur la ‘‘combustion propre’’ depuis 2005 et plus de 400 organisations utilisent nos logiciels de par le monde. Nous sommes aussi partie prenante dans le Model Fuels Consortium (MFC), qui vise à l’élaboration de modèles précis de carburants, afin de pouvoir les utiliser dans les outils de simulation ».

Un MFC qui travaille actuellement sur le développement et la validation de modèles prédictifs d’apparition des particules de suie au sein même de la chambre de combustion des moteurs. « Il s’agit de déterminer précisément la nature et la taille de ces particules d’imbrulés pour mieux en comprendre le processus de formation et de croissance, afin optimiser les moteurs pour qu’ils en produisent moins ». Des développements algorithmiques qui font l’objet de larges campagnes de validation par de multiples séries d’essais physiques où l’on fait varier la composition des carburants, la géométrie, la température et la pression des chambres de combustion.

35 000 décès prématurés pas an

En effet, au-delà des rejets de produits chimiques toxiques largement médiatisés dans le grand public pour leur impact sur le réchauffement de la planète, les spécialistes savent que les risques les plus importants pour la santé résident dans l’émission de particules de suie.

Un rapport de l’association des pneumologues américains chiffre à 35 000 par an le nombre de décès prématurés dus à cette ingestion aux seuls USA ! Et de préciser que les particules de diamètre inférieur à 2,5 µm ne sont pas éliminables par le corps humain. Pour mémoire un cheveu mesure de 50 à 70 µm. Inquiétant quand on sait que dans le même temps le ministère de l’environnement japonais estime que ces très fines particules sont très largement présentes dans toutes ses grandes villes.


                          


« Une situation qui vaut aussi bien pour le diesel que pour l’essence. Le diesel émettant en plus beaucoup de particules beaucoup plus grosses, visibles à l’œil nu, donc plus facilement piégeables et éliminables ».

Des particules que les réglementations environnementales présentes et à venir (Euro5+, Euro6, US Tier3…) imposent de plus en plus aux constructeurs automobiles d’éliminer, notamment à l’aide de ‘‘filtres antiparticules’’.

« Mais de tels filtres atteignent au mieux 90 % d’efficacité et sont très onéreux, ce qui exclu leur usage sur les petites voitures, les plus nombreuses. De plus, leur efficacité est très dépendante des conditions et styles de conduite, tandis que leur régénération doit être faite très régulièrement, en moyenne tous les 600 à 700 km. Enfin, l’apparition des boites à 6 ou 7 vitesses, voir avec un overdrive, réduit la vitesse de rotation du moteur et la montée en température de l’échappement, limitant voir stoppant le fonctionnement du ‘‘filtre antiparticules’’. Autant de contraintes qui militent pour que plutôt que les éliminer à la sortie, il soit plus judicieux de ne pas créer ces particules dans le moteur ».

Un sujet qui préoccupe tous les motoristes, qui sont pour le moment obligés de mener de larges et couteuses campagnes d’essais pour mesurer la teneur en suie et surtout la dimension des particules émises par leurs véhicules. En effet, les quelques rares outils de simulation existants, bien souvent développés par les motoristes, sont pour le moment focalisés sur le volume global des émissions de particules et non sur leur taille.

« La simulation de l’apparition et de la croissance des particules requiert de nombreux savoir-faire, car elles se font à travers 4 ou 5 stades d’évolution. Après le mélange entre l’air et le carburant, en fonction des conditions de pression et de température, certaines particules vont s’agréger, alors que d’autres vont bruler ou s’oxyder et se fragmenter, allant jusqu’à faire naitre de nouveaux agrégats. Il faut donc que le logiciel soit capable de modéliser ces évolutions, ce qui suppose à la fois de la mécanique des fluides, mais aussi de la modélisation de comportement chimique dynamique entre gaz et solide ».

Du missile au moteur

Des savoir-faire que Reaction Design a eu l’occasion de développer depuis 4 ou 5 ans autour de son logiciel ChemKin-Pro dans le cadre de contrats de recherche pour le Department of Defense (DoD) américain portant sur la signature de panaches de fumées sortant de propulseurs de missiles. « Les plus grosses particules indiquant le site de lancement où le propulseur n’avait pas encore atteint sa température de fonctionnement idéale ».

Mais reste que pour les moteurs à explosions le manque de données expérimentales est un handicap pour faire progresser les recherches. D’où la signature d’un contrat avec l’University of Southern California (USC) pour mener de larges campagnes d’acquisition de données, afin d’enrichir les bases de données du MFC. « 50 composés ont été testés dans plus de 470 conditions d’essais, ce qui permet de représenter des produits pétroliers, de la biomasse ou des dérivés du charbon et de prédire à la fois le volume et la taille des particules émises à l’aide du module de traçabilité de ChemKin-Pro ».

Ces modèles de développement des particules sont maintenant en cours d’intégration dans le logiciel Forté de simulation 3D des écoulements des fluides et des réactions physico-chimiques dans le cylindre. « Ce qui permet d’avoir une véritable simulation comportementale, incluant l’apparition des particules, de ce qui se passe dans le cylindre. Et les essais que nous avons pu mener avec quelques motoristes, à l’aide de lasers de mesure sur des cylindres expérimentaux, sont très encourageants, car ils montrent une véritable corrélation entre la prédiction et l’expérience ». Ce module devrait être disponible d’ici la fin de l’année pour les utilisateurs de Forté.

Parmi les développements futurs de cette technologie, Reaction Design entend maintenant passer à d’autres types de motorisations utilisant des flux continus tels que les turbines, les réacteurs, etc.

On le voit, Reaction Design est très moteur sur la simulation de la formation des particules.

A la semaine prochaine

Pour en savoir plus : http://www.reactiondesign.com

Jean-François Prevéraud, journaliste à Industrie & Technologies et l’Usine Nouvelle, suit depuis plus de 30 ans l’informatique industrielle et plus particulièrement les applications destinées au monde de la conception (CFAO, GDT, Calcul/Simulation, PLM…). Il a été à l’origine de la lettre bimensuelle Systèmes d’Informations Technologiques, qui a été intégrée à cette lettre Web hebdomadaire, dont il est maintenant le rédacteur en chef.

 

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