D2SE-Décarbonation & Dépollution des Systèmes Énergétiques

L’objectif de recherche de l’équipe D2SE est la modélisation et la caractérisation expérimentale des systèmes énergétiques complexes, avec pour visée sociétale la diminution de la consommation de carburants fossiles et des émissions polluantes.



L’équipe a créé des liens forts avec le milieu industriel, en effet, son domaine de recherche a de forts impacts sociétaux et environnementaux.

Axes de recherche

Dynamique des gaz et remplissage cylindre
Cet axe de recherche consiste à étudier tout phénomène physique qui affecte le remplissage en air des cylindres ou qui interagit avec les écoulements compressibles instationnaires au sein des circuits d’admission ou d’échappement. Quelques exemples de systèmes étudiés : système actif de remplissage moteur, interaction ondes-suralimentation, thermo-générateur électrique,…

Ces travaux de recherche permettent ainsi :
  de comprendre un phénomène physique, d’optimiser le fonctionnement d’un moteur de définir puis valider de nouveaux concepts (prototypes) d’optimisation du remplissage de mettre au point de nouveaux outils de simulation présentant le meilleur compromis précision / temps de simulation

La validation finale étant effectuée à partir d’essais complet sur moteur.

Les ondes de pression générées par l’ouverture et la fermeture des soupapes interviennent dans le remplissage en air des cylindres. Ces phénomènes sont donc directement liés au rendement du moteur à combustion interne. Ces écoulements instationnaires et compressibles peuvent être étudiés de façon unidimensionnelle au moyen d’une modélisation de chacune des singularités (organes moteur ou discontinuités géométriques) à l’aide d’un code de calcul CFD et/ou de résultats expérimentaux.

Une autre approche consiste à utiliser la signature fréquentielle d’un circuit complet d’admission et/ou d’échappement en tenant compte du caractère débitant du moteur. Cette signature permet de modéliser les circuits par un modèle à paramètres concentrés qui présente comme avantage principal d’être plus rapide en temps de calcul qu’une méthode unidimensionnelle plus conventionnelle. En effet, un lien direct est effectué entre la pression en amont des soupapes et le débit par l’intermédiaire d’une fonction (ou d’une matrice) de transfert, ce qui permet de réduire le nombre d’équations. Les modèles ainsi élaborés sont alors intégrés dans un code de simulation du fonctionnement complet d’un moteur à combustion interne.

Pour la partie expérimentale, des bancs d’organes de type Tube à Cocs peuvent être utilisés pour caractériser les phénomènes physiques ou pour la validation des modèles développés.

Responsable : David CHALET

Turbomachine
La suralimentation par turbocompresseur des Moteurs à Combustion Interne est une technique largement répandue, que ce soit dans le domaine des moteurs Industriels ou dans l’automobile. Cette technique évolue rapidement avec l’arrivée de systèmes de plus en plus précis pour adapter plus finement le fonctionnement de la turbomachine à celui du moteur : géométrie variable coté turbine et compresseur, twinscroll, suralimentation double étage série ou séquentielle. Cette évolution entraine des besoins de modélisation accrues pour rendre plus précis et plus prédictifs les logiciels d’aide à la conception des ensembles propulsifs.







Dans ce cadre, l’équipe travaille depuis sa création à l’élaboration de nouvelles modélisations de turbocompresseurs, en s’appuyant sur des expérimentations réalisées au laboratoire sur banc d’organes ou sur banc moteurs.
Responsable : Pascal CHESSÉ
Combustion dans les moteurs et émissions polluantes
L’objectif général est de comprendre le déroulement de la combustion et la formation des polluants qui l’accompagne.

Cette analyse peut ensuite servir à la réduction des émissions à la source, en améliorant des techniques de dépollution existante (EGR,..), en proposant des techniques innovantes (injection d’eau à l’admission, émulsion eau-gazole,…) ou de nouveaux modes de combustion (Combustion Diesel stœchiométrique, PCCI,RCCI,…).

La caractérisation de la combustion sert également au développement de modèles phénoménologiques plus ou moins détaillés (modèles 0D et 1D pour la modélisation à l’échelle du cycle, modèles moyens pour les applications de type MVEM). Ces modèles peuvent décrire le dégagement de chaleur lié à la combustion et, le cas échéant, les disparités locales de richesse et de température ainsi que la production d’espèces polluantes. Ils sont destinés à être utilisés dans des logiciels de simulation, comme outils d’aide à la conception ou à la mise au point des moteurs.

Des phénomènes internes au cylindre et connexes à la combustion sont également abordés : injection, échanges gazeux pour le renouvellement de la charge, transferts thermiques aux parois, efficacité des conversions énergétiques et répartition des pertes.
Responsable : Xavier TAUZIA
Interaction système et hybridation
Ce nouvel axe de recherche de l’équipe concerne la modélisation et la simulation des modes de propulsion alternatifs (hybride, récupération d’énergie, nouveau carburant…) en vue de leur optimisation en y incluant toutes les problématiques associées (flux d’énergie, thermo-management,…).

Ces travaux de simulation applicables aussi bien au domaine terrestre comme maritime s’appuient sur l’approche système. Des études expérimentales seront bientôt mises en œuvre pour compléter cette approche et s’appuieront notamment sur le banc d’essais véhicule dynamique du laboratoire.
Responsable : Jean-François HETET

Principaux moyens expérimentaux de l’équipe


L’équipe D2SE possède 3 équipements, utilisés à la fois en recherche académique dans le cadre de thèses, mais également dans le cadre d’applications contractuelles :
Bancs d’essais moteurs

Les bancs d’essais moteurs disposent de l’instrumentation classique telle que des capteurs de régime moteur, de pressions, de températures, de pression cylindrique, mais aussi de balance à carburant et de baies de mesures d’émissions polluantes, afin de quantifier les rejets moteurs et la qualité de la combustion.






 

Bancs d’essais organes moteurs

Ces bancs permettent de tester et de caractériser des turbocompresseurs dans un environnement contrôlé, en dehors de l’influence du moteur.



 

Banc d’essais véhicules

Ce banc d’essai permet de tester un véhicule complet 4 roues motrices en fonctionnement dynamique. Il permet de remplacer des essais sur route par des tests reproductibles dans un environnement contrôlé. Il peut tester des véhicules qui développent une puissance de 260 kW par essieu.

 

Chaires industrielles


L’équipe D2SE s’associe à des industriels dans le cadre de Chaires Industrielles. Elle est actuellement associée à deux Chaires industrielles :
  • Chaire “Nouvelles technologies pour les moteurs à combustion”, Centrale Nantes/Renault/LMS A SIEMENS BUSINESS
  • Chaire “Systèmes d’admission Innovants et Thermo-Management », Centrale Nantes/Mann+Hummel
> En savoir plus sur les chaires industrielles
Publié le 23 mars 2017 Mis à jour le 25 janvier 2021