Direction Techniques d’Applications Énergétiques

La direction TAE regroupe 9 domaines de compétences :

Combustion dans les moteurs

Le cœur d'activité de la direction Techniques d'Applications Énergétiques est le développement et la mise en oeuvre de compétences visant à l'analyse et à l'optimisation du fonctionnement des systèmes de combustion des moteurs à piston. L'activité repose sur une compréhension fine des phénomènes physiques et des bilans énergétiques. Le développement des compétences s'appuie entre autres sur l'obtention des éléments de compréhension et l'élaboration des modèles conceptuels nécessaires à l'évolution des outils de simulation et de la technologie des systèmes de combustion. Cette activité d'analyse de la combustion est basée sur des travaux expérimentaux pouvant être réalisés en enceinte pressurisée, sur monocylindre de recherche, sur moteur multicylindre ou sur véhicule.
Pour ses activités, la direction utilise et développe des méthodes d'analyse et des techniques de diagnostics avancés permettant l'investigation détaillée des phénomènes liés à la combustion dans les moteurs à piston. En particulier, le département Analyse système moteurs dispose d'une forte compétence en diagnostic optique de la combustion. Les techniques et les moyens d'essais mis en oeuvre permettent notamment l'observation détaillée des phases de préparation du mélange, de combustion et de formation des polluants au sein de systèmes de combustion essence ou diesel. Les capacités en diagnostics avancés associées aux compétences moteur et à la connaissance des sciences de la combustion constituent les atouts majeurs de la direction pour être un acteur-clé de la recherche collaborative en Europe.

Observation de la combustion dans un moteur diesel à accès optique. Comparaison de la structure de la zone de réaction en fonctionnement HCCI et conventionnel.

Observation par fluorescence induite laser de la répartition du carburant dans un moteur essence fonctionnant en mode CAI (Controlled Auto-Ignition).

Modélisation et simulation système moteurs et véhicules

Depuis de nombreuses années, l'IFP est reconnu pour ses compétences en modélisation 3D moteur. Les équipes du département Modélisation et Simulation Système ont largement participé aux développements des modèles physiques des phénomènes liés à la combustion, modèles introduits dans son propre code de CFD moteur (IFP-C3D) et que l'on retrouve aussi maintenant dans les codes industriels moteurs.
En parallèle, les équipes de la direction Techniques d'Applications Énergétiques co-développent, en partenariat avec le Cerfacs à Toulouse, un code de Simulation aux Grandes Échelles (ou code LES : AVBP). Il permettra dans un futur proche d'accéder à des informations supplémentaires sur le fonctionnement des moteurs, avec par exemple une appréhension des variations cycles à cycles.
Ce développement de codes 3D moteur permet aux équipes CFD d'être très impliquées dans les études d'aide à la conception moteur, que ce soit à l'IFP ou en partenariat avec les constructeurs automobiles européens.
Depuis 2000, on assiste à l'émergence de l'utilisation de la simulation système dans le domaine du développement moteur en général, et du contrôle moteur en particulier. Ceci permet le développement des librairies d'outils de simulation dédiées à l'environnement moteur (IFP-DRIVE, IFP-ENGINE et IFP-EXHAUST), qui sont ensuite intégrées dans l'environnement LMS Imagine.Lab, et diffusées par la société LMS.

Simulation LES de l'admission et de la combustion dans un moteur à allumage commandé essence

Schéma du simulateur d'un véhicule équipé d'un moteur Diesel suralimenté à injection directe

	Oil & Gas Science and Technology - Revue de l'IFP DOSSIER THEMATIQUE : "Avancées dans le contrôle et la simulation des systèmes Groupe Moto-Propulseur" (Les Rencontres Scientifiques de l'IFP) Télécharger gratuitement les articles

Optimisation des moteurs à allumage commandé et diesel

L'optimisation des moteurs à allumage commandé (essence et gaz naturel) et des moteurs diesel passe par l'optimisation des systèmes de combustion et des sous systèmes permettant leur mise en oeuvre (injection, allumage, boucle d'air, lois de distribution, suralimentation, EGR). L'objectif est de répondre aux enjeux liés au réchauffement climatique (réduction des émissions de CO₂) et à l'amélioration de la qualité de l'air (respect des normes de pollution).
Ces dernières années, l'IFP a développé des approches originales pour répondre à ces enjeux, aussi bien pour les véhicules légers que pour les poids lourds.
Dans les moteurs à allumage commandé, l'IFP est reconnu pour ses réalisations dans le domaine de l'écosuralimentation (réduction de la cylindrée des moteurs et compensation par la suralimentation) qui permet d'atteindre jusqu'à 20 % de réduction de la consommation et des émissions de CO₂.
Dans les moteurs diesel, l'IFP a développé des systèmes de combustion à très faibles émissions d'oxyde d'azote, dernier polluant problématique de cette motorisation depuis l'avènement des filtres à particules. Ces développements concernent les domaines des véhicules légers et des poids lourds.
Ces deux types de moteurs sont également optimisés par l'IFP pour des applications dédiées aux véhicules légers hybrides.

Le concept NADI^TM - exemple de système de combustion bas-NOx développé par l'IFP.

Principe des combustions à balayage, concept IFP pour les moteurs essence écosuralimentés.

	Oil & Gas Science and Technology - Revue de l'IFP DOSSIER THEMATIQUE : "Evolutions et contrôle des systèmes de combustion" Télécharger gratuitement les articles

Conception mécanique et réalisation de moteurs et de composants

La mise en oeuvre des approches originales développées par la direction Techniques d'Applications Énergétiques nécessite la réalisation de moteurs prototypes. Le Bureau d'Études du département Technologie Moteurs, équipé de logiciels spécialisés et des outils de CAO les plus récents, conçoit et fait réaliser les pièces prototypes par son réseau de sous-traitants spécialisés.

logiciels spécialisés et outils de CAO

Bureau d'Études du département Technologie moteurs

Développement et mise au point de démonstrateurs

Afin de respecter les multiples normes environnementales, les moteurs sont de plus en plus complexes. De nombreux paramètres de réglage, gérés par le calculateur, interviennent dans leur mise au point. Ces dernières années, les équipes du département Technologie Moteurs, en collaboration avec celles de la direction Technologie et Mathématiques Appliquées, ont développé des méthodes de calibration sur bancs moteurs dédiés, faisant appel à des outils de simulation et d'automatisation.
Ces équipes et ces moyens permettent la mise au point de véhicules de démonstration mettant en avant les approches innovantes de l’IFP et concrétisent ainsi les avancées réalisées sur banc moteur.

Le véhicule Toyota PRIUS GNV développé récemment par l'IFP présente des émissions de CO₂ réduites largement sous la barre de 80 g/km, soit une réduction de l'ordre de 26 % par rapport à la Prius essence commercialisée. Il respecte également les émissions de polluants réglementés en vigueur et les attentes du conducteur en termes d'agrément de conduite. L'IFP continue à travailler sur le concept des véhicules hybrides GNV sur la base notamment d'un véhicule urbain (Smart).

Le véhicule Prius dédié au gaz naturel ayant participé au Challenge Bibendum 2006

+ Communiqué de presse (04/07/2006) : Gains de consommation records pour le premier prototype hybride monocarburation au gaz naturel développé par l'IFP et Gaz de France

+ Développement industriel > Moteurs > Véhicules hybrides > Démonstrateurs véhicules

Optimisation des systèmes de post-traitement des gaz d'échappement

Les compétences de la direction portent à la fois sur :

• la définition et l'optimisation du système de post-traitement des gaz d'échappement (screening de formulations, définition de l'architecture, compatibilité avec les carburants ou lubrifiants, durabilité),
• la mise au point des stratégies de contrôle moteur nécessaires à son bon fonctionnement.

Des efforts importants sont également consacrés au développement de modèles de post traitement et à leur validation.

En adéquation avec le respect des futures normes Euro V et Euro VI, les technologies développées dans ce domaine portent, pour le moteur diesel, sur le traitement simultané des NOx et des particules. Les recherches actuelles concernent l'optimisation et le contrôle du couplage entre un filtre à particules et un système de traitement des NOx (piège à NOx ou SCR). Vus comme une solution ultime à ce traitement combiné, des développements importants sont également consacrés à la catalyse 4 voies, qui vise à intégrer sur un support unique filtrant les particules, l'ensemble des fonctions catalytiques de traitement des NOx, du CO et des HC.
Pour les moteurs essence muni d'un catalyseur 3 voies, les travaux sont axés sur l'amélioration des performances au démarrage (injection d'air à l'échappement, utilisation de pièges à HC).
Pour les moteurs essence à combustion stratifiée, l’enjeu se situe sur la mise au point de systèmes de traitement des NOx en mélange pauvre. Enfin, les problématiques nouvelles comme l'adéquation des systèmes de post-traitement avec les biocarburants ou la dépollution des véhicules hybrides sont également à l'étude.

Combinaison système SCR et filtre à particules sur moteur poids lourd

Banc gaz synthétique permettant de caractériser et de présélectionner des formulations innovantes

	Oil & Gas Science and Technology - Revue de l'IFP DOSSIER THEMATIQUE : "Développements récents dans le domaine des moteurs automobiles et de leur post-traitement" Télécharger gratuitement les articles

Carburants et adéquation moteurs-carburants, carburants de substitution

Les compétences de la direction TAE sont renforcées par la présence au sein de l'IFP de spécialistes du raffinage et des analyses physico-chimiques. Les activités portent sur l'analyse des interactions entre formulation des carburants, conventionnels ou non, et comportement des moteurs (émissions de polluants, combustion anormale, agrément d'utilisation, phénomènes d'encrassement, etc.). Elles permettent, par exemple, d'identifier l'impact d'une nouvelle formulation de carburant ou d'un additif sur le fonctionnement des technologies moteurs actuelles ou futures. Dans ce registre, un effort important est fait autour des moteurs s'appuyant sur les nouveaux modes de combustion tels que la combustion diesel homogène (HCCI). Ceux-ci conduiront très vraisemblablement à de nouvelles exigences carburants.
Un autre volet essentiel des activités concerne la validation et le développement des filières alternatives, parmi lesquelles on trouvera en priorité les biocarburants et le gaz naturel. Ainsi, les compétences et l'expertise développées permettent d'identifier et de proposer de nouvelles bases pour les carburants de demain et de bien identifier et valider les filières alternatives prometteuses.
Des travaux peuvent être également engagés à la demande des pouvoirs publics pour aider à la définition de nouvelles réglementations sur les produits ou les émissions de polluants. Ces activités ont donné lieu au développement, en collaboration avec la direction Physique et analyse, de techniques d'analyse fine des polluants associées à des méthodologies de mise en oeuvre sur banc d'essais moteurs et véhicules. Enfin, l'IFP et la direction TAE sont très souvent consultés pour l'élaboration de projets de nouvelles spécifications, telles que celles proposées en France pour le Superéthanol – E85.

+ Actualité (Juin 2006) : Expérimentation nationale Flex Fuel : l'IFP en charge du suivi de la flotte

Véhicule Smart dédié au fonctionnement au gaz naturel

Laboratoire d'analyse des polluants automobiles

Lubrification

La direction TAE travaille au développement de méthodologies d'analyse permettant de quantifier les performances hydrauliques du lubrifiant, par exemple en mesurant son taux d'aération. Elle réalise également des essais aux bancs moteurs suivant des méthodes d'essais standards pour la sélection et la qualification des lubrifiants et de leurs additifs.

Essais moteur et instrumentation associée

La direction TAE dispose de moyens d'essais adaptés aux besoins des projets de développements dans le domaine moteur-carburant-dépollution, dans un contexte de complexité croissante des technologies. L'évolution des montages et des mesures est en effet une garantie de positionnement de l'IFP en termes de capacité à réaliser des essais selon des méthodes ou avec des outils mettant en œuvre des technologies avancées présentant, dans de nombreux cas, des contraintes bien spécifiques.
De plus, la maîtrise des aspects métrologiques des différents types d'instrumentation utilisés est un point crucial permettant de garantir la qualité des mesures effectuées. Ces mesures servent de données de base aux activités d'analyse et de compréhension menées par les équipes de recherche.

Pupitre de commande d'un banc d'essais

Moteur thermique équipé de son instrumentation au banc d'essais

Pupitre de commande d'un banc d'essais moteur

Le département Support aux moyens d'essais assure le fonctionnement et le suivi de la maintenance de toutes les utilités et matériels nécessaires à l'exploitation des 2 stations d'essais situées l'une à Rueil-Malmaison et l'autre à Solaize. L'ensemble du périmètre représente un total de 3 bancs véhicule et 36 cellules d'essais réparties entre des bancs moteurs transitoires, dont un à très haute dynamique, des bancs optiques à visualisation laser et des cellules de pré-combustion.