Percer les secrets des moteurs à combustion à hydrogène : un regard fascinant sur les techniques de simulation de systèmes
L'impact des gaz à effet de serre sur notre environnement est une préoccupation croissante depuis quelques décennies. L'essor de l'industrialisation et l'utilisation accrue des combustibles fossiles ont entraîné une augmentation de la concentration des gaz à effet de serre dans notre atmosphère. Ces gaz, tels que le dioxyde de carbone (CO2), le méthane et l'oxyde nitreux, retiennent la chaleur dans l'atmosphère et contribuent au réchauffement climatique, qui a un impact dévastateur sur notre planète.
Le secteur des transports est l'un des principaux responsables des émissions de gaz à effet de serre. Selon l'Agence internationale de l'énergie, le secteur des transports représente environ 24 % des émissions mondiales de gaz à effet de serre liées à l'énergie. Cela comprend les émissions des voitures, des camions, des bus, des avions et des bateaux. Avec la croissance continue de la population mondiale et l'augmentation de la demande de transport, il est essentiel de s'attaquer à l'impact environnemental du secteur des transports si nous voulons atténuer les effets du changement climatique.
Ce blog décrit pourquoi les moteurs à combustion à hydrogène (H2) peuvent contribuer à la réduction des émissions de gaz à effet de serre et comment leur conception est prise en charge par Simcenter Amesim 2304.
Pourquoi la combustion de l'hydrogène ?
Des objectifs ambitieux ont été fixés au niveau mondial pour réduire les émissions de CO2 dans le secteur du transport routier. Ces objectifs sont le plus souvent neutres, c'est-à-dire qu'ils peuvent être atteints soit par des véhicules électriques, soit par des véhicules à moteur à combustion interne utilisant des e-carburants ou des carburants sans carbone (ammoniac ou hydrogène).
La combustion de carburants sans carbone est prometteuse dans les secteurs où l'infrastructure de transport est la plus facile à adapter et où les besoins en énergie et en électricité sont élevés, c'est-à-dire les équipements lourds et les camions longue distance.
Dans ce contexte, plusieurs acteurs de l'industrie investissent des efforts de R&D dans la filière technologique des moteurs à combustion interne à hydrogène.
Critères essentiels de conception des moteurs à combustion interne à hydrogène
Le moteur à combustion H2 nécessite d'importants efforts d'ingénierie pour répondre aux exigences de puissance, d'efficacité, de contrôlabilité et de sécurité.
La plupart de ces activités d'ingénierie sont liées aux propriétés thermodynamiques de l'hydrogène. En effet, le combustible gazeux a une faible densité, une grande inflammabilité et un pouvoir calorifique inférieur élevé. Cela signifie par exemple que le système d'injection de carburant est sujet à des fuites de H2 et que, lorsqu'il est injecté, il occupe une grande partie de la chambre de combustion, ce qui nécessite beaucoup d'air et un système de turbocompression efficace. La sensibilité au cliquetis et les émissions de NOx sont également des défis importants qui peuvent être résolus de différentes manières (injection d'eau, recirculation des gaz d'échappement ou EGR...). La plupart de ces défis peuvent être résolus dans la solution moteur Simcenter Amesim en utilisant une approche de modélisation haute fréquence.
Un étalonnage correct du moteur est également important pour éviter une mauvaise utilisation des composants du moteur. Des paramètres tels que le début de l'injection, le calage lambda et le calage de l'allumage auront un impact important sur les NOx, le cliquetis et la consommation de H2, quelle que soit la conception choisie dans des conditions d'équilibre. Ces paramètres d'étalonnage sont généralement définis sur le banc d'essai du moteur, mais le (pré-)étalonnage virtuel est une solution rentable qui permet d'économiser des heures de fonctionnement du banc d'essai. Cet étalonnage virtuel est la plupart du temps réalisé à l'aide de méthodologies Software-In-the-Loop ou Hardware-In-the-Loop, qui sont mieux prises en charge dans Simcenter Amesim grâce à une approche de modélisation de la valeur moyenne.
Enfin, l'intégration du moteur à combustion interne H2 dans l'environnement du produit final est d'une importance significative pour évaluer les paramètres qui seront annoncés et certifiés. Ces paramètres sont généralement l'autonomie, la consommation de carburant, les émissions de NOx et les performances. Pour évaluer ces paramètres, il est recommandé de passer à une approche de modélisation quasi-statique basée sur des cartes.
Passons en revue chaque approche de modélisation avec la version 2304 de Simcenter Amesim.
Modèles de moteurs à haute fréquence
Les modèles de moteur à haute fréquence Simcenter Amesim sont compatibles avec la combustion de H2 avec une corrélation validée de la vitesse de la flamme laminaire, des propriétés des fluides et de la table de délai d'auto-inflammation du cliquetis. Le nouveau modèle de moteur Wiebe "longue queue" comprend un observateur de NOx à la sortie du moteur, basé sur un mécanisme de Zeldovich ou sur la loi d'Arrhenius.
Le modèle Wiebe a été validé par des données d'essai et est disponible sur le portail de démonstration standard Simcenter Amesim, principalement grâce au partenariat de longue date avec le centre de recherche IFPEN. Le scénario de cette démonstration concerne un moteur H2 turbocompressé à injection directe de 13,5 litres, avec une turbine à tuyère variable et un circuit EGR à basse pression.
Ce modèle permet de réaliser de nombreuses études différentes :
- Quelle est la puissance et le couple maximum que je peux atteindre sans avoir de cliquetis ?
- Quel est le taux d'EGR permettant d'obtenir le meilleur compromis entre les émissions spécifiques de NOx à la sortie du moteur et la consommation spécifique de H2 ?
- Jusqu'à quel niveau le rapport d'équivalence carburant-air (FAER) peut-il être abaissé et quel est l'impact sur la consommation de carburant et le couple ?
- Mon turbocompresseur est-il correctement dimensionné pour atteindre de faibles rapports d'équivalence carburant-air ?
Nous pouvons voir sur la variation du rapport d'équivalence carburant-air que nous ne pouvons pas descendre en dessous de 0,3 (c'est-à-dire plus haut que lambda 3,3) pour atteindre la pression moyenne effective indiquée (PMAI) de 15 bars à 1 400 tours par minute. Cela est dû aux limites de conception du turbocompresseur, en particulier du côté de la roue du compresseur. Nous avons besoin de plus d'air. Pour évaluer d'autres conceptions potentielles de compresseurs, Simcenter Amesim 2304 est livré avec l'application de création de tables de compresseurs. Elle permet d'élaborer une cartographie représentative du compresseur à partir des points de consigne de fonctionnement du moteur (généralement une courbe de pleine charge) en ne nécessitant que très peu d'informations.
L'application de création de tables de compresseurs a été validée sur des compresseurs de moteurs à combustion interne provenant d'une large gamme d'applications de turbocompresseurs telles que l'automobile, les camions et la marine. Elle peut également générer des cartes de compresseur de pile à combustible, qui peuvent être utiles pour l'optimisation précoce du côté cathode.
Une fois que l'architecture du moteur est sélectionnée et qu'elle répond aux exigences de combustion, nous pouvons réduire le modèle à haute fréquence à un modèle de moteur à valeur moyenne (MVEM) plus rapide et plus léger pour permettre le préétalonnage des quantités de contrôle et la vérification virtuelle de l'unité de contrôle du moteur.
Modèles de moteurs à valeur moyenne
L'approche de modélisation MVEM est basée sur un modèle physique du système de trajectoires d'air et sur un bilan énergétique global caractérisant le comportement "moyen" du processus à l'intérieur des cylindres. Elle utilise des données de rendement et des corrélations pour décrire ce qui se passe dans le bloc moteur au cours d'un cycle complet.
Le passage d'un modèle de moteur à haute fréquence ou de résultats de bancs d'essai à un modèle de moteur à valeur moyenne peut se faire à l'aide de l'outil MVEM qui calcule les cartes de rendement volumétrique, indiqué et d'échappement utilisées dans le MVEM. Cet outil a été mis à jour dans Simcenter Amesim 2304 pour fournir un modèle de conversion de moteur H2.
Une fois ces cartes générées, elles peuvent être soit directement incorporées dans le modèle MVEM, soit combinées à une approche de réseau neuronal (à l'aide de l'outil Simcenter Reduced Order Modeling) pour enrichir le nombre d'entrées et de sorties du modèle avec, par exemple, le taux de recyclage des gaz d'échappement et les émissions de NOx.
La précision d'une telle approche conjointe permet d'améliorer la précision des résultats de la simulation tout en conservant un faible temps d'utilisation de l'unité centrale et une capacité en temps réel pour permettre la méthodologie Hardware-In-the-Loop.
La validation du modèle de réseau neuronal d'émissions de NOx à la sortie du moteur inclus dans le MVEM pour la gamme complète de moteurs est illustrée ici. Elle dépend du taux EGR, du Lambda, du régime moteur et de l'avance à l'allumage, ce qui la rend utilisable pour l'étalonnage virtuel et les activités Hardware-In-the-Loop.
Pour plus d'informations sur la modélisation d'ordre réduit de Simcenter, cliquez ici.
La plupart des ingénieurs motoristes s'en tiennent à cette approche de modélisation pour mener à bien leurs tâches de simulation, en ayant entre les mains un modèle de moteur H2 rapide, robuste et précis. Mais qu'en est-il des services qui ne disposent pas de données suffisantes pour générer un tel modèle ? Qu'en est-il des fournisseurs de transmissions qui aimeraient voir l'impact de leurs technologies sur les performances des moteurs et la consommation de carburant ? Pour ces personnes, il est recommandé d'utiliser un modèle de moteur quasi-statique basé sur des cartes.
Modèles de moteurs quasi-statiques basés sur des cartes
Le modèle de moteur quasi-statique que l'on trouve dans la bibliothèque IFP-Drive est basé sur un ensemble variable de cartes (consommation de carburant, couple maximum...) et quelques facteurs de correction en fonction des objectifs de la simulation. Il est largement utilisé lorsque l'objectif de la simulation est d'estimer la consommation de carburant et les performances du véhicule sur de longs profils de mission (cycles de conduite) et lorsque la dynamique à haute fréquence du moteur n'est pas d'une importance primordiale.
Ce modèle de moteur peut fonctionner avec n'importe quel type de carburant, à condition que l'utilisateur ait accès à un ensemble minimum de cartes, et peut également fonctionner en mode bi-carburant.
Le principal problème est que pour les moteurs à combustion H2, les cartes de consommation de carburant et de couple ne sont pas largement disponibles et sont la plupart du temps confidentielles. Il est donc difficile d'utiliser cette approche de modélisation à première vue.
Par conséquent, l'application de création de tables de moteurs a été mise à jour pour inclure des ensembles de données validés sur les moteurs à hydrogène. Elle permet aux utilisateurs de moteurs IFP-Drive de générer des cartes de consommation de carburant à partir de données de haut niveau très limitées telles que l'architecture du moteur, les courbes de couple et de puissance maximales et les paramètres de combustion estimés.
La création de ces tables permet d'évaluer l'autonomie du véhicule pour un réservoir donné et un cycle de conduite donné. Dans cet exemple, un camion régional de 26 tonnes est simulé sur le cycle transitoire GEM. Les tableaux générés donnent une consommation de carburant H2 de 15 kg/100 km et une autonomie d'environ 335 km avec un réservoir d'hydrogène de 50 kg (avec un stockage par compression d'environ 700 bars).
Pour conclure, la version Simcenter Amesim 2304 a été entièrement validée pour les applications de moteurs à combustion interne H2. Elle offre un flux de travail robuste et continu, allant de modèles de moteurs très détaillés à des modèles simples et rapides, et fournit des applications pour générer les données manquantes afin d'éviter d'être bloqué dans un "méli-mélo de données". Si vous souhaitez en savoir plus sur les autres nouveautés du Simcenter Amesim 2304, consultez cet article de blog ou regardez la vidéo ci-dessous.
