Réduire la pollution émise par les moteurs à combustion interne

Les calculs de dynamique des fluides sont devenus au fil du temps un outil bien établi pour la conception et l'optimisation des moteurs à combustion interne. Les modèles numériques perfectionnés ont démontré leur intérêt pour décrire en détail le déroulement de la combustion et le dégagement de chaleur, afin d'élucider la formation des oxydes d'azote (NOx).

Cette approche numérique s'est avérée particulièrement intéressante pour les partenaires industriels du projet MINNOX, en réduisant considérablement le besoin de faire appel à des études expérimentales, toujours longues. De grands acteurs de l'industrie automobile européenne ont apporté leur expertise afin de mettre au point un modèle sophistiqué qui tient compte de tous les processus physiques survenant dans les cylindres d'un moteur à combustion interne.

Les logiciels commerciaux de simulation de dynamique des fluides utilisent des modèles de turbulence qui sont basés sur diverses hypothèses, et ne conviennent donc qu'à certains types d'écoulements. Dans un moteur à combustion interne, il faut évaluer l'impact de la turbulence à proximité des parois, pour prédire avec exactitude les caractéristiques du flux turbulent engendré à ce niveau.

Les travaux conduits dans les laboratoires de DaimlerChrysler AG en Allemagne visaient à améliorer les logiciels KIVA-3 et STAR-CD, dans le cadre du calcul du comportement en trois dimensions de fluides chimiquement réactifs. C'est ainsi que pour améliorer l'exactitude de la prédiction des frictions au niveau des parois, on a introduit un traitement unifié et généralisé des conditions de frontière.

De cette manière, il a été possible d'étendre aux parois des cylindres les calculs de RANS (décomposition de Reynolds des équations de Navier-Stokes) et de simulation de la turbulence à grande échelle (LENS), sans faire appel aux très importantes grilles et ressources de calcul qui sont généralement nécessaires. Dans le cadre de la méthode proposée, les logiciels KIVA-3 et STAR-CD promettent de simplifier les calculs et d'apporter une grande souplesse. Ils ont servi à simuler des écoulements réguliers ou pulsatoires, dans un moteur monocylindre.

Les résultats des calculs effectués pour un large éventail de conditions de fonctionnement ont été en accord avec les simulations numériques directes (DNS), ainsi qu'avec les données obtenues par le système expérimental développé au cours du projet.