Construire des moteurs diesel plus propres.

Ou : Comment allumer un feu

Le carburant à l’intérieur d’un moteur est soumis à des températures et des pressions élevées, ce qui le fait s’enflammer et brûler, mais quel est exactement le processus par lequel cela se produit ? Une nouvelle étude publiée dans JFM combine les conditions thermochimiques d’un moteur diesel avec des modèles de turbulence 3D réalistes pour donner un aperçu du fonctionnement interne d’un moteur à combustion.

Les moteurs diesel sont incroyablement courants dans le monde entier, depuis leur utilisation dans les véhicules personnels jusqu’aux machines lourdes à l’échelle industrielle. Grâce aux mesures prises pour réduire notre dépendance aux combustibles fossiles, ces phénomènes deviennent de moins en moins courants. Cependant, les moteurs électriques actuels ne sont pas encore capables de fournir la puissance et la densité énergétique élevées requises par les poids lourds. Cela signifie que tant qu’ils sont encore utilisés, il est essentiel de mieux comprendre le processus de combustion au sein d’un moteur diesel si nous voulons améliorer l’efficacité et réduire la pollution générée par ces moteurs.

Avec cet objectif en tête, l’auteur principal Alex Krisman et son équipe ont voulu simuler l’environnement du moteur à une pression de 40 atm et une température de 1 100 Kelvin avec des modèles réalistes pour la chimie et les turbulences générées par le processus d’allumage. Ils se sont concentrés sur des structures à très petite échelle, à l’échelle submicronique, qui existent pendant des fractions de milliseconde, car c’est là, selon eux, que se déroulent les clés de la physique et de la chimie.

Leurs simulations ont montré que l’inflammation commence par une chimie à basse température (LTC) qui précède la formation d’événements chimiques à haute température (HTC) spatialement localisés appelés « noyaux ». Les noyaux se forment dans ce que Krisman a décrit comme des « zones protégées des turbulences intenses », l’idée étant que dans ces zones, les tourbillons sont protégés de la chaleur et de la dissipation d’énergie, permettant ainsi l’inflammation.

Une fois allumées, les « flammes marginales » initiales grandissent et s’auto-propagent dans tout le combustible, s’étendant à partir de leur point de départ initial. Un autre mécanisme appelé « auto-inflammation » est également présent, par lequel la substance chimique s’enflamme spontanément sans source externe. Un exemple d’image du champ de température instantanée est affiché ci-dessous avec les zones de chimie à basse température (LTC) et de flammes de bord étiquetées.

Expérimentalement, le processus d’inflammation est très difficile à mesurer avec précision en raison des échelles de longueur et de temps extrêmement petites. Cependant, des progrès récents ont été réalisés grâce aux techniques laser, et les données disponibles montrent un accord raisonnable avec les simulations. En particulier, des régions de chimie à basse et à haute température peuvent être identifiées et la propagation des flammes de bord peut également être déduite comme le prédit le modèle numérique.

Grâce à l’amélioration continue des techniques de mesure expérimentales et des simulations numériques du processus d’allumage, Krisman espère que de tels modèles permettront une meilleure conception des moteurs diesel afin de contribuer à réduire la quantité de gaz toxiques et de suie produite et ainsi se conformer à des réglementations toujours plus strictes. « L’avantage de l’utilisation du DNS est qu’il nous indique quels types de physique et de combustion sont présents et que, par conséquent, les simulations à l’échelle industrielle qui doivent être exécutées sur une échelle de temps beaucoup plus courte peuvent se concentrer uniquement sur la physique la plus importante en rapport avec le problème. »

En fin de compte, Krisman estime que la combustion est très complexe et donc très difficile à modéliser. « Certaines parties du processus sont régies par des effets chimiques tels que l’auto-inflammation, tandis que d’autres sont régies par la turbulence et la propagation des flammes, qui ont toutes une physique différente. » En d’autres termes, une réflexion approfondie s’impose à l’avenir.

Source : Cambridge Core Blog – Auteur : Dr Tom Crawford

27 juillet 2017
Dernière mise à jour : 12/11/18 11:36

Ce document est disponible gratuitement jusqu’au 6 août.

Références :
Krisman, A., Hawkes, E. et Chen, J. (2017). Auto-allumage à deux étages et flammes marginales dans un jet turbulent à haute pression . Journal de mécanique des fluides, 824, 5-41.