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ETUDE D’UNE ÉTINCELLE DANS UNE CONFIGURATION
SIMPLIFIÉE: SIMULATION NUMÉRIQUE
Par:
Malyk Benmouffok, Amath Lo, Pierre Freton
Philippe Teulet et Jean-Jacques Gonzalez
www.continental-corporation.com
CAE XII, Clermont-Ferrand
16 et 17 mars 2015
ETUDE D’UNE ÉTINCELLE DANS UNE CONFIGURATION
SIMPLIFIÉE: SIMULATION NUMÉRIQUE
Contexte de l’étude:
 Diminution des ressources fossiles
 Augmentation de la pollution de l’air
Conséquences:
 Réglementation (normes Euro5, Euro6…)
 Obligation d’amélioration des moteurs pour les constructeurs
 Moteur à allumage commandé.
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Principe de fonctionnement d’un moteur à allumage
commandé
Système d’allumage:
Tension alimentation,
bobine et câbles
Phase d’action de la
bougie d’allumage,
déclenchement de
l’étincelle
A. LALLEMAND, Convertisseurs Thermomecaniques. Ed. Techniques Ingénieur
Injection indirecte*
Injection directe*
*C. Ternel,
Contribution au développement de l’allumage par laser pour les moteurs à combustion interne
Cycle moteur 4 temps
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Motivations
* Véhicule léger et petit utilitaire (-6T), estimation mondiale
› La part de marché des
véhicules essence
(Gazoline) est
considérable.
Fort potentiel d’amélioration avec notamment :
› La diminution de la taille des moteurs
(downsizing)
Performances équivalentes
› La recirculation des gaz d’échappement (EGR)
+ EGR
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FAMAC
Contraintes des moteurs essence « downsizés »:
› Cliquetis
› Difficultés d’initier la combustion dans des mélanges
fortement dilués (air+carburant+EGR)
Projet ANR : Fondamentaux d’Allumage pour les Moteurs à
Allumage Commandé (FAMAC)
› Problématique : Comprendre la physique fondamentale de
l’étincelle dans le but d’optimiser le transfert d’énergie du
plasma généré vers le mélange réactif du milieu
environnant
Simulations
Expérimentations
Configuration simplifiée et configuration réelle
dans l’air et dans un mélange air/propane
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 Données d’entrée nécessaires pour la simulation
 Fonctionnement du modèle
 Données utilisées
 Géométrie
 Conditions initiales
 Résultats et comparaison avec l’expérience
 Conclusions
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Données d’entrée nécessaires pour la simulation
R. Maly (1984)*
L’étincelle est définie par la succession de 4 phases:

Pre-breakdown

Breakdown

Arc

Glow
Conditions nécessaires pour la simulation:
-ETL
-Connaitre le plus tôt possible après le claquage:
 le rayon
 La température
du canal conducteur
 La pression
 Le courant
* Dans l’ouvrage Fuel Economy: In Road Vehicles Powered by Spark Ignition Engines. Springer, chap3, 1984.
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Fonctionnement du modèle
Simulation:
2D axisymétrique, transitoire avec ANSYS Fluent:
Air
Propriétés thermodynamiques:
(f(T,P); 300-60 000K; 1-400bar)
Hypothèses:
E.T.L.
Laminaire
Parois d’électrodes adiabatiques
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Données utilisées
Géométrie
Géométrie basée sur configuration expérimentale du projet FAMAC(durée de décharge <700ns,
meilleure stabilité de la décharge):
 Distance inter-électrodes : 3mm
 Rayon de courbure des électrodes : 150µm
 Dimensions du domaine de calcul : 10 x10 mm
Nombre de mailles: 204676 cellules
Taille minimale des cellules: 2µm
Pas de temps: 10ns
Durée de simulation: 3.5 jours
Densité de courant
Jz
• Domaine ouvert
• Pext : 1bar
V=0V
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Conditions initiales
Détermination expérimentale
Conditions initiales à t=15ns
Profil de température N 2
Profil de Température électronique
40000
1200
1100
36000
1000
Température (K)
34000
32000
30000
28000
26000
900
800
700
600
24000
500
22000
Arc
Streamer
400
20000
300
18000
0
20
40
60
80
100
120
0
100
200
300
400
Rayon (µm)
Rayon (µm)
 La température initiale dans le canal est déterminée à partir des
mesures expérimentales de température électronique dans la
phase d’arc et des molécules de N2 dans la phase de streamer
 Le canal initial de la simulation présentera donc une partie très
chaude et aura un préchauffage périphérique dû au streamer
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500
600
700
-
Température électronique (K)
38000
+
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Conditions initiales
Détermination expérimentale
Conditions initiales à t=15ns
-
100
Profil de densité électronique
17
-3
Densité électronique (10 cm )
90
+
80
70
Plus de signal au-delà de
140µm.
60
Le rayon choisi est
50
donc de 140µm
40
0
20
40
60
80
100
120
140
160
Rayon (µm)
 Rayon déterminé à l’aide des mesures de profil
de densité électronique
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Conditions initiales
Détermination expérimentale
Conditions initiales à t=15ns
• On relève la position de l’onde
(Schlieren)
• On ajoute le point obtenu à l’aide
des mesure de Ne
• On obtient la vitesse => la pression
• Braginski
• Rankine-Hugoniot
 La vitesse de déplacement de l’onde de pression permet de
remonter à la pression initiale dans les premiers instants de l’arc,
juste après le claquage.
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P100bar
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Conditions initiales
Application au modèle
Conditions initiales à t=15ns
-
-
Température = 36kK->1200K
Préchauffage = 1200K->300K
Pression = 100bar
Rayon = 140µm
Mesures réalisées au
centre :
-Profil de température
-Densité électronique
Reste du domaine:
1bar/300K
Energie déposée en
condition initiale: 15mJ
180
+
+
160
Current measurement
Interpolation
140
Current (A)
120
100
Ces conditions initiales sont propres à
la configuration utilisée
80
60
40
20
0
-20
0
100
200
300
400
500
600
700
800
Time (ns)
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Résultats
Champs de pression et de température
Température
Pression
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Résultats
Comparaison Expérience/modèle
CORIA mesures expérimentales - r=0mm; z=1.5mm
LAPLACE simulation - r=0mm; z=1.5mm
50000
-
Temperature (K)
45000
40000
35000
+
30000
25000
0
50
100
150
200
250
300
350
400
Temps (ns)
Evolution de la température sur l’axe de la décharge, à mi-distance des électrodes.
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Résultats
Comparaison Expérience/modèle
t=30µs
La figure de droite
correspond à un gradient
de densité reconstruit
numériquement
Simulation
Image Schlieren
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Résultats
Comparaison Expérience/modèle
t=30µs
Simulation
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Résultats
Comparaison Expérience/modèle
t=30µs
Simulation
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Résultats
Comparaison Expérience/modèle
t=30µs
Simulation
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Résultats
Comparaison Expérience/modèle
t=30µs
Simulation
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Résultats
Comparaison Expérience/modèle
t=30µs
Simulation
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Résultats
Comparaison Expérience/modèle
t=30µs
Simulation
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Résultats
Comparaison Expérience/modèle
t=30µs
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Résultats
Comparaison Expérience/modèle
3,0
EM2C mesures Schlieren
LAPLACE simulation
Distance radiale (mm)
2,5
2,0
Comparaison de la
position de l’onde de
pression schlieren avec
le modèle.
1,5
1,0
0,5
0,0
0
500
1000
1500
2000
2500
3000
3500
Temps (ns)
CAE XII
Clermont-Ferrand
4000
Donnée Schlieren obtenues par:
Da Xu, Sara LOVASCIO, Christophe Laux
Ecole Centrale Paris
Bâtiment PECLET
Grande Voie des Vignes 92295
Châtenay-Malabry Cedex
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Conclusions
 Comparaison et validation du modèle dans le cas d’un arc
nanoseconde:
•
Très bon accord de l’évolution de la température et de la
position de l’onde.
•
Les volumes des tores de gaz chauds sont également
comparables
Perspectives:
Détermination de nouvelles conditions initiales pour une décharge
d’allumage conventionnelle
Observer le comportement de l’arc dans une géométrie réelle de
bougie, en particulier lorsque ce dernier est soumis à un soufflage
latéral
CAE XII
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Benmouffok Malyk, © Continental AG
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Merci
de votre attention!
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