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Conception et optimisation des injecteurs pour les moteurs diesel et à hydrogène

La microprécision ne concerne pas seulement les systèmes d'injection

En 2016, Liebherr a ouvert une toute nouvelle usine à Deggendorf, centre de compétences pour les systèmes d'injection et les pièces de microprécision. L'un des points forts de ce site Liebherr est le développement, la production et l'assemblage d'injecteurs à rampe commune pour les moteurs diesel. Parallèlement à l'ouverture de la nouvelle usine, l'utilisation de logiciels de simulation dans le développement des produits a été accélérée.

De zéro à cent : simulation depuis 2019

Martin Seidl s'est intéressé aux moteurs à combustion et aux chambres de combustion des fusées pendant ses études et son doctorat, dans les domaines de l'aéronautique et de l'aérospatiale. Sa connaissance de ces domaines a permis de disposer de l'expertise nécessaire. Après s'être concentré sur les simulations 1D avec Matlab/Simulink, les calculs FEM, les analyses CFD et également les études électromagnétiques ont été acrues à partir de 2019 avec la conclusion d'un contrat-cadre avec Ansys et CADFEM. "En 2019, j'ai reçu le soutien d'un nouveau collègue, Matthias Smetana, pour l'utilisation de la simulation", rapporte Martin Seidl. "Il s'occupe principalement des questions de mécanique des structures. Nous utilisons en plus le logiciel d'Ansys dans les domaines des écoulements et de l'électromagnétisme, entre autres pour la réalisation de travaux de fin d'études d'étudiants".

Profil de Liebherr-Components Deggendorf GmbH

La société Liebherr-Components Deggendorf GmbH (abréviation : CCR = Components Common-Rail) fait partie du segment de produits Composants au sein du groupe Liebherr. Sur le site de Deggendorf, Liebherr développe et produit des micro-pièces de précision et des composants pour les systèmes d'injection (Common-Rail) qui résistent à des charges élevées et à des conditions environnementales extrêmes. Les solutions système, conçues pour des pressions allant jusqu'à 2200 bars, sont montées aussi bien dans les moteurs à combustion du groupe que dans chez d'autres fabricants dans le monde entier.

Il s'agit entre autres d'applications pour véhicules lourds hors route (Heavy-Duty Off-Highway), de systèmes d'énergie décentralisés, d'applications maritimes et de véhicules pour l'exploitation minière (Mining). Des procédés de fabrication modernes et une longue expérience dans le développement, la conception, la fabrication et le recyclage de composants contribuent de manière décisive à la qualité et à la performance des produits Liebherr. Depuis des décennies, la société Liebherr développe et produit des moteurs diesel qu'elle utilise elle-même en tant qu'OEM dans le domaine des véhicules tout-terrain. Cette expérience garantit performances, fiabilité maximales des systèmes d'injection,  une longue durée de vie et permet d’anticiper les exigences futures.

Compte tenu du changement climatique et des contraintes environnementales, les solutions d'injection respectueuses du climat pour l'utilisation de carburants neutres en CO2 sont une priorité absolue sur le site de Deggendorf. Les composants et solutions systèmes existants sont actuellement testés et développés pour l'utilisation de carburants à base de méthanol. Dans le domaine de la technologie de l'hydrogène, les experts de Deggendorf travaillent sur de nouveaux concepts d'injecteurs : 'injection directe d'hydrogène pour les moteurs à combustion.

Prédiction correcte des phénomènes physiques

Les composants de systèmes développés et produits par Liebherr-Components Deggendorf GmbH sont basés sur des effets complexes et interactifs issus des domaines de la mécanique, de l'hydraulique/pneumatique et de l'électromagnétisme.

Pour prédire correctement les phénomènes physiques qui se produisent et les différentes interactions dans les systèmes et composants d'injection, il est indispensable d'utiliser des outils de simulation fiables. C'est pourquoi Liebherr fait appel à différentes solutions logicielles commerciales et internes.

Afin de pouvoir prédire le comportement dynamique des injecteurs, des pompes et des vannes de commutation, des simulations 1D (parfois aussi appelées simulation 0D) sont réalisées. Les simulations sont réalisées soit avec le code Matlab interne DIESL, soit avec l'environnement Simscape, une extension de Matlab/Simulink avec une interface utilisateur graphique.

Modèle 1D simplifié d'un injecteur diesel

Cette représentation montre, par exemple, un modèle 1D simplifié d'un injecteur diesel à rampe commune avec une soupape à deux voies (étranglement d'entrée et de sortie), qui est commandé hydrauliquement par un électroaimant. L'aiguille de l'injecteur, qui ne se déplace qu'axialement, est ici considérée de manière simplifiée comme une masse ponctuelle dont la position influence le volume de la chambre de commande, du trou borgne ainsi que la surface de la section de l'étrangleur. En contrepartie, l'aiguille est soumise non seulement à des forces mécaniques dues au ressort et à la butée, mais aussi à des forces hydrauliques.

Les modèles 1D sont souvent des représentations très simplifiées et abstraites de la réalité et ne peuvent donc pas reproduire ou même prédire tous les détails de la réalité complexe. Souvent, le calibrage et la validation des modèles nécessitent des données qui ne sont pas disponibles ou de manière limitée, par exemple à partir de mesures. Les informations nécessaires sont souvent obtenues à l'aide d'outils de simulation spécialisés et déposées dans le modèle 1D, par exemple sous forme de tables de recherche (voir les cases rouges dans la représentation précédente).

Il y a aussi souvent, des questions auxquelles la simulation 1D ne permet pas de répondre, par exemple la vérification de la résistance ou la détermination de la force magnétique de l'actionneur électromagnétique. Pour cela, on utilise les solutions logicielles d'Ansys, qui permettent de saisir des géométries et des effets 2D et 3D avec des modèles physiques précis et de résoudre des systèmes d'équations complexes et de grande taille.

Développement de la plateforme d'injecteurs diesel

Dans le cadre du renforcement constant des normes antipollution dans le monde entier, les composants des systèmes d'injection diesel à rampe commune doivent eux aussi être perfectionnés en permanence. En conséquence, la plateforme LI2 pour les applications moyennes à lourdes a été fondamentalement améliorée lors du passage de la génération GEN2 à la génération GEN3.

Grâce à une augmentation de la pression de la rampe de 2200 bars à 2500 bars et à une réduction significative du volume des trous borgnes, les émissions de suie et d'hydrocarbures imbrûlés ont été considérablement réduites. De plus, l'augmentation de la pression de la rampe a permis d'accroître la puissance et l'efficacité du moteur, ce qui a également réduit les émissions de CO2.

Prévoir de manière sûre et précise les sollicitations accrues

La mise en œuvre des mesures décrites a représenté un grand défi pour l'équipe de développement de Liebherr. En particulier, l'augmentation de la pression de rail maximale de 2200 à 2500 bars - avec des pics de pression locaux vers 3000 bars - a des conséquences considérables sur le comportement fonctionnel, l'usure et la durée de vie de l'injecteur. C'est pourquoi il faut prévoir de manière sûre et précise l’augmentation de la sollicitation due aux forces mécaniques et hydrauliques supplémentaires. De plus, la tendance accrue à la cavitation et aux dommages dus à l'érosion qui en découlent dans l'injecteur, en particulier dans les trous d'injection, a été contrée par une modification du design.

Pour cela, l'utilisation de simulations FEM 2D et 3D et CFD est indispensable. En combinaison avec la simulation 1D, il a été possible de faire avancer de manière décisive le développement de GEN2 à GEN3. Deux exemples permettent d'illustrer l'importance de la simulation dans le processus de développement chez Liebherr à Deggendorf.

FEM : réduction des contraintes et de l'usure sur le logement de l'aiguille

Lors de la fermeture de la buse à la fin de l'injection, l'aiguille frappe avec une force élevée dans le logement de l'aiguille. Cela entraîne des contraintes mécaniques élevées sur le corps de l'injecteur, ce dont il faut tenir compte lors du choix du matériau et de la conception de la géométrie. C'est la seule façon de lutter de manière fiable contre une usure excessive des composants - voire une défaillance - pendant toute la durée de vie de l'injecteur (100 millions - 1 milliard de cycles de commutation).

La conception de la buse et de l'aiguille s'effectue sur la base de simulations 1D et FEM harmonisées entre elles et ajustées par des mesures sur des systèmes existants. La simulation 1D fournit les paramètres d'entrée nécessaires à la simulation FEM, tels que la vitesse d'impact de l'aiguille et les forces de pression en action. Sur cette base, les simulations FEM permettent de procéder à une observation détaillée. Les indices ainsi calculés pour les paramètres de rigidité et d'amortissement sont à leur tour intégrés dans la simulation 1D afin d'augmenter la précision du modèle.

La figure montre, pour la période suivant directement l'impact de l'aiguille, la charge mécanique de la buse dans le logement. La comparaison entre une mesure et une simulation 1D et FEM est représentée. La charge maximale dans le logement de l'aiguille et l'oscillation mécanique qui s'ensuit sont très bien représentées par les simulations, tant en termes d'amplitude que de fréquence. De plus, la comparaison garantit une bonne orientation pour le développement de nouveaux designs.

Nous présentons ici une comparaison de la charge mécanique dans le logement de l'aiguille entre LI2.9 GEN2 et LI2.9 GEN3. La concordance entre les simulations 1D et les mesures est similaire pour les deux cas.

Dr.-Ing. Martin Seidl Simulationsexperte, Liebherr
Dr.-Ing. Martin Seidl
Simulationsexperte, Liebherr

Les simulations 1D et FEM ont permis de réduire considérablement la charge d'environ 50 pour cent. Le nouveau design est ainsi encore plus robuste et prêt à répondre aux nouvelles exigences avec des pressions de rail allant jusqu'à 2500 bars.

CFD : réduction de la cavitation dans la buse

En raison de l'extrême différence de pression entre l'injecteur et la chambre de combustion et des fortes déviations de flux dans le trou borgne, il se produit une accélération considérable du carburant dans l'arrivée des trous d'injection. Cela fait baisser localement la pression statique en dessous de la pression de vapeur et provoque une cavitation, c'est-à-dire qu'une partie du carburant passe de la phase liquide à la phase gazeuse. Cela peut entraîner une réduction du débit et donc une perte de puissance. Plus grave encore, les bulles de cavitation qui se sont formées se recondensent plus en aval de leur formation - dans les trous d'injection - lorsque la pression locale dépasse à nouveau la pression de vapeur en raison d'un écoulement retardé.

Quand les bulles de gaz implosent à proximité de la paroi, cela entraîne la formation de fortes ondes de pression et des microjets à grande vitesse. Ceux-ci provoquent souvent des dommages érosifs à la surface de la pièce après un court laps de temps. À moyen terme, le comportement fonctionnel de l'injecteur ainsi les émissions du moteur  en pâtissent, ce qui peut conduire, dans le pire des cas, à une défaillance complète du composant (par exemple, rupture du dôme).

Comparaison des simulations CFD pour les injecteurs LI2.9 GEN2 et LI2.9 GEN3 : est représenté un critère normalisé permettant d'évaluer le risque d'érosion par cavitation (0 = faible, 10 = élevé). L’utilisation massive  de simulations CFD a permis de trouver un design qui répond aux nouvelles exigences. Ce dernier réduit considérablement le risque d'érosion, tant au niveau de l'aiguille que de la buse.

Nouveau développement d'un injecteur d'hydrogène

La technologie des injecteurs diesel est déjà considérée comme mature. Il ne faut plus s'attendre à de grandes améliorations du processus de combustion en termes de consommation et d'émissions polluantes dans le domaine du diesel, de même que pour la combustion de l'essence et du gaz naturel. Pour pouvoir respecter les objectifs d'émission de plus en plus ambitieux à moyen et long terme, d'autres voies doivent donc être explorées. Outre les technologies de l'"électromobilité" et de la "pile à combustible", qui font déjà l'objet d'un débat public animé et qui s'imposent de plus en plus sur le marché, une adaptation des procédés de combustion existants à des carburants alternatifs comme l'hydrogène est également envisageable. Si ces carburants sont produits sans impact sur le climat, cela présente de nombreux avantages, par exemple :

  • maintien de la structure de production et des stations-service existantes,
  • des temps de ravitaillement courts,
  • une bonne capacité de stockage et
  • des densités de puissance élevées, comme avec les moteurs diesel actuels.

"Chez Liebherr, nous avons récemment développé un nouvel injecteur d'hydrogène pour l'injection directe à basse pression, appelée Low-Pressure Direct Injection (LPDI) en anglais, pour des pressions de rail allant jusqu'à 60 bars", explique le Dr Martin Seidl. "Dans ce contexte, la simulation numérique a permis de relever de nombreux défis. Elle nous a permis de vérifier si les concepts que nous venions de développer étaient réalisables et nous avons effectué de nombreuses études de faisabilité à l'aide de simulations. Nous avons ainsi procédé à une approche itérative des exigences". C'est ce que nous allons examiner de plus près à l'aide de deux applications exemplaires.

Conception électromagnétique d'un actionneur pour un injecteur de H2

Dans les injecteurs diesel conventionnels, on utilise habituellement des forces hydrauliques pour commuter l'aiguille de l'injecteur via une ou plusieurs soupapes hydrauliques intermédiaires. Ce faisant, une partie du carburant préalablement comprimé à haute pression est renvoyée dans le réservoir sous forme de flux de fuite.

Pour l'injecteur H2, dans lequel l'hydrogène ne se présente pas sous forme liquide mais gazeuse à des pressions relativement faibles, cela n'est toutefois pas possible. Premièrement, il n'est pas possible de développer des forces équivalentes à celles des injecteurs diesel. Deuxièmement, l'hydrogène est fourni par un réservoir à haute pression (350 bars ou 700 bars), de sorte qu'aucun reflux dans le réservoir n'est possible en raison de la différence de pression.

Grandes surfaces de section pour l'écoulement

Si l'on veut éviter un autre circuit d'huile pour la commutation de l'aiguille de la buse, elle doit être directement entraînée par un actionneur électromagnétique. L'aiguille et l'armature forment donc un ensemble fixe et mobile dans le sens axial. Les éléments piézoélectriques qui servent à la commande et que l'on trouve parfois dans les injecteurs diesel n'entrent pas en ligne de compte pour les injecteurs de gaz en raison de la course nettement plus importante de l'aiguille. En raison de la valeur calorifique spécifique en volume de l'hydrogène, beaucoup plus faible que celle du diesel, de grandes sections transversales sont nécessaires pour l'écoulement.

La force du ressort sur l'aiguille nécessaire pour assurer l'étanchéité entre l'injecteur et la chambre de combustion ainsi que la force de pression sur la surface d'étanchéité lorsque l'injecteur est fermé doivent être surmontées par l'actionneur lors de l'ouverture. Les forces nécessaires à cet effet dépassent considérablement les forces habituelles des actionneurs électromagnétiques dans le domaine du diesel. En outre, une course plus importante est nécessaire pour désengorger le flux.. Comme la force magnétique diminue de manière exponentielle en fonction de la distance entre l'armature et le noyau polaire de l'aimant, les exigences imposées à l'aimant sont nettement plus élevées.

Sur la base de simulations électromagnétiques, la géométrie et les matériaux ont été sélectionnés et optimisés au cours du processus de développement de manière à satisfaire pleinement aux exigences. Une comparaison entre les mesures et les simulations a montré que le niveau statique des forces magnétiques en fonction du courant et de la largeur de l'entrefer entre l'armature et le noyau polaire, ainsi que le comportement d'attraction dynamique de l'armature étaient très bien prédits par les simulations.

Analyse de l'écoulement du comportement du mélange dans la chambre de combustion

Contrairement aux injecteurs diesel, l'hydrogène est injecté sous forme de gaz dans la chambre de combustion. Le design du capuchon d'injection, qui permet de déterminer la forme du jet d'injection dans la chambre de combustion, est géométriquement très différent des injecteurs diesel classiques à plusieurs trous. L'angle du jet ainsi que le mélange avec l'air dans la chambre de combustion jouent un rôle central dans le processus de combustion et doivent être prédits à l'aide de simulations CFD.

La représentation ci-dessous montre une comparaison entre une simulation CFD et une mesure (visualisation du gradient de densité via une photographie de stries) pour un jet libre dirigé au centre de la chambre de combustion avec un seul orifice axial. L'hydrogène est alors introduit de manière supersonique dans la chambre de combustion. Comme les informations sont transportées à la vitesse du son dans les flux , il y a un découplage entre l'injecteur et la chambre de combustion. Par conséquent, le débit d'hydrogène dans la chambre de combustion est uniquement déterminé par les conditions dans l'injecteur (par exemple par la pression du rail) et est indépendant de la pression de la chambre de combustion. La comparaison entre la simulation CFD et la mesure montre que la rupture du jet de H2 est très bien prédite. Ainsi, les simulations CFD permettent de trouver des géométries optimisées du chapeau d'injection pour chaque application spécifique.

"Les exemples cités ici montrent que la simulation nous a toujours aidés à trouver la bonne voie pour les nouveaux développements et les optimisations", affirme avec assurance le Dr Martin Seidl. "Lorsque j'ai rejoint l'entreprise, il y avait principalement deux systèmes diesel, qui ont été complétés par d'autres au fil des ans. De plus, des systèmes pour l'hydrogène et d'autres carburants alternatifs sont maintenant en cours de développement. Cela a considérablement augmenté les exigences en matière de simulation. En développant notre savoir-faire et en acquérant une compréhension toujours plus fine des systèmes, nous pouvons aujourd'hui agir de manière plus flexible et réaliser des économies de coûts et de temps, notamment en réduisant le nombre d'essais. Parallèlement, nos modèles de simulation deviennent de plus en plus précis grâce à la comparaison avec les données d'essai. Nous poursuivrons résolument dans cette voie afin de développer de nouvelles idées, d'améliorer continuellement les produits existants et de les adapter aux nouveaux souhaits des clients".

Liebherr-Components Deggendorf GmbH
Dr.-Ing. Martin Seidl
www.liebherr.com

Auteurs: Dr.-Ing. Martin Seidl, Liebherr-Components Deggendorf GmbH;
Gerhard Friederici, CADFEM
Images: © Liebherr
Publié : Juin 2022

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