Amélioration de l’efficacité et réduction des émissions des moteurs diesel lourds

Amélioration de l'efficacité et réduction des émissions des moteurs diesel lourds

Les chercheurs d’Argonne ont utilisé des supercalculateurs pour optimiser la conception des cuves de piston dans les moteurs lourds pour Caterpillar Inc. Les conceptions supérieures réduisaient la consommation de carburant et la formation de suie, et d’autres avaient le potentiel de réduire les NOx. Crédit: Chao Xu / Laboratoire National d’Argonne

Les moteurs diesel lourds alimentent encore la plupart des gros véhicules utilisés dans les industries de la construction, des mines et des transports aux États-Unis. Les ingénieurs s’efforcent d’améliorer le rendement énergétique de ces moteurs tout en minimisant la pollution pour réduire la consommation d’énergie et assurer la durabilité de ces industries à l’avenir.

Pour s’attaquer à ce problème, des chercheurs du Laboratoire national d’Argonne du Département américain de l’énergie (DOE) se sont associés à Caterpillar Inc., l’un des plus grands fabricants mondiaux d’équipements de construction et d’exploitation minière. Tirant parti des ressources de calcul hautes performances d’Argonne, les chercheurs ont développé une conception potentielle de piston pour les moteurs Caterpillar qui pourrait améliorer le rendement énergétique tout en réduisant les émissions nocives.

L’équipe a d’abord créé un cadre pour optimiser la conception du système de combustion à l’aide d’un outil de calcul 3D de dynamique des fluides appelé CONVERGE, développé par Convergent Science, Inc. Fusion des données de transfert de chaleur et de combustion dérivées de modèles CONVERGE avec des données environnementales sur la suie et l’oxyde d’azote (NONX), ils ont ensuite exécuté des centaines de simulations haute fidélité pour développer des conceptions prometteuses pour les cuves de piston – les chambres de combustion des moteurs diesel.

Grâce à cette méthode, ils ont pu identifier plusieurs conceptions susceptibles d’améliorer le rendement énergétique tout en réduisant les émissions. Caterpillar a créé des prototypes des conceptions les plus performantes en utilisant des techniques de fabrication additive pour valider les résultats du modèle.

«En tirant parti des ressources de supercalcul disponibles à Argonne, nous avons effectué des simulations très détaillées et avons également obtenu les résultats beaucoup plus rapidement, réduisant le temps de simulation de plusieurs mois à plusieurs semaines», a déclaré Chao Xu, un postdoctoral d’Argonne chargé des efforts de simulation.






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Crédit: Laboratoire National d’Argonne

Une conception de bol de piston particulièrement prometteuse a amélioré le processus de mélange entre le carburant et l’air. Les chercheurs ont découvert qu’il pouvait réduire la consommation de carburant de près de 1%, une amélioration mesurable, tout en réduisant la suie jusqu’à 20%.

«Le flux de travail que nous avons développé profitera à tout le monde», a déclaré Sibendu Som, responsable de la section de recherche multi-physique computationnelle de la division des systèmes énergétiques d’Argonne, qui supervise l’équipe travaillant sur le projet avec Caterpillar. « Nous publions notre méthodologie afin que les entreprises puissent l’utiliser pour concevoir elles-mêmes de nouvelles cuves à piston. »

Outre les innovations de simulation du projet, l’une des principales contributions de l’équipe a été le développement d’une approche conviviale pour l’industrie, qui permet aux entreprises d’optimiser la conception de leurs moteurs à l’aide de leurs propres systèmes informatiques internes. Ce modèle simplifié, basé sur les résultats de centaines de simulations complexes, offre un niveau de précision similaire tout en réduisant les besoins de calcul de près de 40%.

« Cela réduit en fait les coûts de test si nous avons un modèle prédictif et optimisons les conceptions sur un supercalculateur. Cela réduit également le temps dont l’industrie a besoin pour développer un produit – un grand avantage », a déclaré Prithwish Kundu, un chercheur scientifique qui gère le projet à Argonne.

«Notre travail avec Argonne sur ce projet a permis l’exploration d’un vaste espace de conception», a déclaré Jon Anders, chercheur principal et spécialiste principal en ingénierie dans la division Composants et solutions intégrés de Caterpillar. « En travaillant ensemble et en tirant parti de l’expertise en simulation et des ressources informatiques d’Argonne avec l’expertise de fabrication et de test chez Caterpillar, nous avons pu optimiser et tester un piston sur un calendrier bien plus court que ce qui aurait été possible autrement. »


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Fourni par le Laboratoire National d’Argonne

Citation: Amélioration de l’efficacité et réduction des émissions des moteurs diesel lourds (2021, 4 mai) récupéré le 4 mai 2021 sur https://techxplore.com/news/2021-05-efficiency-emissions-heavy-duty-diesel.html

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