E nergétique des Systèmes Moteurs

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1 E nergétique des Systèmes Moteurs
Habilitation à Diriger des Recherches de l’Université de Nantes E nergétique des Systèmes Moteurs alimentés par des Combustibles Gazeux Mémoire de synthèse d’activités scientifiques O. Le Corre

2 uelques éléments biographiques
1992 : Diplôme ISITEM, Nantes 1992 : Ingénieur ISITEM 1992 : Diplôme de DEA « Dynamique des fluides et des transferts » Université de Nantes 1992 : DEA Univ. Nantes - ECN 1995 : Diplôme de thèse en Energétique de l’E.N.S.M.P. 1995 : Thèse en Energétique EMP depuis 1995 : Maître-assistant EMN

3 P lan de l’exposé Thermodynamique Moteur
n Thermodyn. n Thermo-éco. n Conclusions Perspectives Thermodynamique Moteur Dimensionnement d’installations Conclusion - Perspectives

4 hermodynamique Moteur Alternatif
PLAN n Thermodyn. n Thermo-éco. n Conclusions Perspectives T hermodynamique Moteur Alternatif

5 hermodynamique Moteur Alternatif
PLAN n Thermodyn. n Thermo-éco. n Conclusions Perspectives 1. Composition du carburant gazeux 2. Banc d’essais : Diagramme Entropique 3. Combustion commandée 4. Combustion dual-fuel 5. Combustion Anormale : Modèle haute fréquence 6. Moteur embarqué

6 aractérisation combustible gazeux Doctorat de C. Rahmouni (2003)
PLAN n Thermodyn. n Thermo-éco. n Conclusions Perspectives Problématique Objectif : Suivi en continu des variations de qualité du GN Gisement A  IM Réglages moteurs Gisement B 1, …, n Capteur Gisement C IM Conditions favorables au cliquetis Prévention du cliquetis Variation de qualité du gaz naturel Doctorat de C. Rahmouni (2003)

7 aractérisation combustible gazeux
PLAN n Thermodyn. n Thermo-éco. n Conclusions Perspectives Méthodologie Modèles Etude statistique Pseudo-gaz IMn PCIn PCOn Wobn 1, …, n Partie numérique Base de Gaz 1, 2 Partie expérimentale Pseudo-gaz Capteur IMt PCIt PCOt Wobt Chromatographe IMm PCIm PCOm Wobm e ?

8 aractérisation combustible gazeux
PLAN n Thermodyn. n Thermo-éco. n Conclusions Perspectives Analyse statistique  propriétés GN IM, IR, .c 293, c 393, PCI  99.8 % 98.2 % 99 %

9 aractérisation combustible gazeux
PLAN n Thermodyn. n Thermo-éco. n Conclusions Perspectives Diagramme ternaire - Pseudo-gaz 2 propriétés physiques  3 composés du GN + de 97% IM  100% du PCI

10 aractérisation combustible gazeux
PLAN n Thermodyn. n Thermo-éco. n Conclusions Perspectives Réalisation d’un capteur 2 cellules de mesures 2 résistances chauffantes 2 thermocouples de type K

11 aractérisation combustible gazeux
PLAN n Thermodyn. n Thermo-éco. n Conclusions Perspectives Résultat IM réel IM corrigé en CO2 ternaire

12 hermodynamique Moteur Alternatif
PLAN n Thermodyn. n Thermo-éco. n Conclusions Perspectives 1. Composition du carburant gazeux 2. Banc d’essais : Diagramme Entropique 3. Combustion commandée 4. Combustion dual-fuel 5. Combustion Anormale : Modèle haute fréquence 6. Moteur embarqué

13 D iagramme entropique Motoring M. J. Stas (1996) & A. Hribernik (1998)
PLAN n Thermodyn. n Thermo-éco. n Conclusions Perspectives Etat de l’art Motoring TDC M. J. Stas (1996) & A. Hribernik (1998)

14 Méthodologie de calage du PMH
iagramme entropique PLAN n Thermodyn. n Thermo-éco. n Conclusions Perspectives Concept théorique Méthodologie de calage du PMH CAS IDEAL CAS avec erreur de calage du PMH

15 D iagramme entropique PLAN Méthodologie de calage du PMH
n Thermodyn. n Thermo-éco. n Conclusions Perspectives Méthodologie de calage du PMH Température [K]

16 D iagramme entropique PLAN Application n Thermodyn. n Thermo-éco.
n Conclusions Perspectives Application

17 Méthodologie de calage du PMH et du taux de compression
iagramme entropique PLAN n Thermodyn. n Thermo-éco. n Conclusions Perspectives Concept théorique Méthodologie de calage du PMH et du taux de compression Application

18 hermodynamique Moteur Alternatif
PLAN n Thermodyn. n Thermo-éco. n Conclusions Perspectives 1. Composition du carburant gazeux 2. Banc d’essais : Diagramme Entropique 3. Combustion commandée 4. Combustion dual-fuel 5. Combustion Anormale : Modèle haute fréquence 6. Moteur embarqué

19 Doctorat de S. Rousseau (1999)
ombustion commandée PLAN n Thermodyn. n Thermo-éco. n Conclusions Perspectives Problématique Gaz brûlés Front de flamme Gaz frais A Doctorat de S. Rousseau (1999)

20 C ombustion commandée Durée de combustion Délai d’ignition PLAN
n Thermodyn. n Thermo-éco. n Conclusions Perspectives Paramètres de la loi de Wiebe Durée de combustion Délai d’ignition

21 Comparaison Modélisation - Expérimentation
ombustion commandée PLAN n Thermodyn. n Thermo-éco. n Conclusions Perspectives Diagramme de pression Comparaison Modélisation - Expérimentation Pression Cylindre

22 hermodynamique Moteur Alternatif
PLAN n Thermodyn. n Thermo-éco. n Conclusions Perspectives 1. Composition du carburant gazeux 2. Banc d’essais : Diagramme Entropique 3. Combustion commandée 4. Combustion dual-fuel 5. Combustion Anormale : Modèle haute fréquence 6. Moteur embarqué

23 C ombustion dual-fuel PLAN Concept n Thermodyn. n Thermo-éco.
n Conclusions Perspectives Concept

24 C ombustion dual-fuel PLAN n Thermodyn. n Thermo-éco. n Conclusions Perspectives Concept Procédure appliquée pour un moteur carburant gazeux - diesel Faible erreur (< 2%) Simplicité à l’utilisation Procédure de modélisation proposée à l’aide de trois simples lois de Wiebe Doctorat de A. Bilcan (prévu fin 2003)

25 C ombustion dual-fuel PLAN Résultat BIO60C70 n Thermodyn.
n Thermo-éco. n Conclusions Perspectives BIO60C70 Résultat

26 hermodynamique Moteur Alternatif
PLAN n Thermodyn. n Thermo-éco. n Conclusions Perspectives 1. Composition du carburant gazeux 2. Banc d’essais : Diagramme Entropique 3. Combustion commandée 4. Combustion dual-fuel 5. Combustion Anormale : Modèle haute fréquence 6. Moteur embarqué

27 C ombustion anormale PLAN Problématique Ondes de choc
n Thermodyn. n Thermo-éco. n Conclusions Perspectives Problématique Ondes de choc Sites auto-inflammation Dégâts par arrachement de métal A B C Doctorat de G. Brecq (2002)

28 C ombustion anormale PLAN Problématique n Thermodyn. n Thermo-éco.
n Conclusions Perspectives Problématique

29 C ombustion anormale Relation linéaire entre deux indicateurs IMPO
PLAN n Thermodyn. n Thermo-éco. n Conclusions Perspectives Etat de l’art Relation linéaire entre deux indicateurs IMPO & IMPG Int. Dérivée des Oscillations Diana et al (1998) IMPG = a IMPO Indicateurs moyens Indicateurs cycliques Impossible de résoudre dans le cas le plus général = a

30 C ombustion anormale PLAN Analyse Oscillations non-amorties
n Thermodyn. n Thermo-éco. n Conclusions Perspectives Analyse Oscillations non-amorties Courbe enveloppe Modèle acoustique de Draper (1934) Modèle d’enveloppe ?

31 Paramètres définissant a
C ombustion anormale PLAN n Thermodyn. n Thermo-éco. n Conclusions Perspectives Nouveau concept Analyse de l ’enveloppe IMPGenv = a IMPOenv ? = a a, b et C Paramètres définissant a Avec Pente à l’origine

32 C ombustion anormale PLAN Doctorat de A. Bilcan (prévu fin 2003)
n Thermodyn. n Thermo-éco. n Conclusions Perspectives Doctorat de A. Bilcan (prévu fin 2003)

33 C ombustion anormale PLAN
n Thermodyn. n Thermo-éco. n Conclusions Perspectives Analyse symbolique - Entropie modifiée de Shannon Dispersion cyclique

34 C ombustion anormale PLAN Taux irréversibilté n Thermodyn.
n Thermo-éco. n Conclusions Perspectives Taux irréversibilté

35 hermodynamique Moteur Alternatif
PLAN n Thermodyn. n Thermo-éco. n Conclusions Perspectives 1. Composition du carburant gazeux 2. Banc d’essais : Diagramme Entropique 3. Combustion commandée 4. Combustion dual-fuel 5. Combustion Anormale : Modèle haute fréquence 6. Moteur embarqué

36 M oteur embarqué PLAN Problématique
n Thermodyn. n Thermo-éco. n Conclusions Perspectives Problématique Doctorat de F. Pirotais (prévu debut 2004)

37 M oteur embarqué PLAN Problématique n Thermodyn. n Thermo-éco.
n Conclusions Perspectives Problématique

38 M oteur embarqué PLAN Etat de l’art n Thermodyn. n Thermo-éco.
n Conclusions Perspectives Etat de l’art

39 M oteur embarqué PLAN Méthodologie n Thermodyn. n Thermo-éco.
n Conclusions Perspectives Méthodologie

40 M oteur embarqué PLAN Maillage d’un cylindre n Thermodyn.
n Thermo-éco. n Conclusions Perspectives Maillage d’un cylindre

41 M oteur embarqué PLAN Réseau de noeuds n Thermodyn. n Thermo-éco.
n Conclusions Perspectives Réseau de noeuds

42 M oteur embarqué PLAN Résultats n Thermodyn. n Thermo-éco.
n Conclusions Perspectives Résultats

43 imensionnement d’installations énergétiques
PLAN n Thermodyn. n Thermo-éco. n Conclusions Perspectives D imensionnement d’installations énergétiques

44 imensionnement d’installations
PLAN n Thermodyn. n Thermo-éco. n Conclusions Perspectives Méthodologie Etat de l’art Méthode d’optimisation Statique Dynamique Décomposition/Coordination Installations énergétiques Modélisation Optimisation - Point initial - Solveur Analyse de la solution

45 imensionnement d’installations
PLAN n Thermodyn. n Thermo-éco. n Conclusions Perspectives Méthodologie

46 imensionnement d’installations
PLAN n Thermodyn. n Thermo-éco. n Conclusions Perspectives Approche 1. Approche horaire 2. Approche indicielle

47 ogénération industrielle
C ogénération industrielle PLAN n Thermodyn. n Thermo-éco. n Conclusions Perspectives

48 ogénération industrielle
C ogénération industrielle PLAN n Thermodyn. n Thermo-éco. n Conclusions Perspectives

49 ogénération industrielle
C ogénération industrielle PLAN n Thermodyn. n Thermo-éco. n Conclusions Perspectives Résultat

50 ogénération industrielle
C ogénération industrielle PLAN n Thermodyn. n Thermo-éco. n Conclusions Perspectives Résultat

51 C ogénération biogaz: traitement des eaux usées PLAN Schéma
n Thermodyn. n Thermo-éco. n Conclusions Perspectives Schéma Eaux traitées Air Wastewater Décantation primaire Réservoir d’aération Décantation secondaire Résidus solides Digestion primaire Digestion secondaire Traitement biogaz Electricité Moteur Compression Eaux Boues Biogaz Eau chaude Chaudière Doctorat de I. Bitir (2002)

52 C ogénération biogaz: traitement des eaux usées Données énergétiques:
PLAN n Thermodyn. n Thermo-éco. n Conclusions Perspectives Exemple Données énergétiques: Débit d’eaux usées : m3/jour Débit de biogaz : m3/jour Contenu énergétique : 88 MWh/jour Besoin électrique: 29 MWhe/jour Besoin thermique: 26 MWht/jour Résultats: Puissance du moteur Biogaz Production annuelle d’énergies Réduction de pollution CO2 Degré d’autonomie et économie d’énergie Temps de retour brut

53 C ogénération biogaz: traitement des eaux usées
PLAN n Thermodyn. n Thermo-éco. n Conclusions Perspectives Résultat Puissance nominale électrique: 1.1 MW Rendement électrique: 30% Fonctionnement: Pleine charge Disponibilité: 100% Production électrique: 26 MWhe/jour Production thermique: 26 MWht/jour

54 C ogénération biogaz: traitement des eaux usées PLAN
n Thermodyn. n Thermo-éco. n Conclusions Perspectives Etude de sensibilité CH4 65% 45%

55 T rigénération PLAN Schéma Doctorat de E. Minciuc (2003) n Thermodyn.
n Thermo-éco. n Conclusions Perspectives Schéma E W Encg E ncg Production combinée chaleur et travail E W cg b E F Fb cb W cg Q Comp. cg Q Récup. d F b Q F Fb W Abs. ab F Q b W Chaudière d’appoint Q Qv v Q W Système compression Fcv F cv F v W Système absorption Fav F av Doctorat de E. Minciuc (2003)

56 Indice de tri-génération
PLAN n Thermodyn. n Thermo-éco. n Conclusions Perspectives Définition Performance d’une installation de tri-génération Indice de tri-génération Electricité Chaleur Froid

57 T rigénération Ratio Force/Chaleur Conditions d’optimalité PLAN
n Thermodyn. n Thermo-éco. n Conclusions Perspectives Définition Ratio Force/Chaleur Conditions d’optimalité

58 T rigénération PLAN Résultat n Thermodyn. n Thermo-éco.
n Conclusions Perspectives Résultat

59 PLAN n Thermodyn. n Thermo-éco. n Conclusions Perspectives onclusion C

60 C onclusion PLAN 1. Composition du carburant gazeux
n Thermodyn. n Thermo-éco. n Conclusions Perspectives 1. Composition du carburant gazeux Doctorat C. Rahmouni 2. Banc d’essais : Diagramme Entropique 3. Combustion commandée Doctorat S. Rousseau 4. Combustion Anormale : Modèle haute fréquence Doctorat G. Brecq 5. Combustion dual-fuel Doctorat A. Bilcan 6. Moteur embarqué Doctorat F. Pirotais

61 onclusion C PLAN n Thermodyn. n Thermo-éco. n Conclusions Perspectives 1. Dimensionnement d’usine d’incinération d’ordures ménagères 2. Dimensionnement d’installation de MAG en cogénération sur Biogaz I. Bitir - Thèse UPB 3. Dimensionnement technico-économique d’installations de tri-génération E. Minciuc - Thèse UPB

62 roduction scientifique
P PLAN n Thermodyn. n Thermo-éco. n Conclusions Perspectives PASCAL : 10 références [A1], [A2], [A6], [A8], [A9], [A10], [A14], [B1], [C9], [D1] Europ. J. Mechan. and Env. Eng. - Appl. Thermal Eng. SFT - Entropie - Déchets: Sc. & Tech. - Rec Prg Génie. Proc. Thèse British Library : 22 références [A3], [A4], [A7], [A8], [A9], [A10], [A13], [A14], [A15], [A17], [A18], [B2], [B3], [B4], [B5], [B7], [B10], [B11], [B12], [B13], [B14],[C10] Appl. Thermal Eng. - Fuel - Am. Soc. Agricul. Eng. - A.S.M.E. Europ. J. Mechan. and Env. Eng. S. A. E. Entropie Rem: Absence complète ECOS dans les bases de données [B6], [B8], [B9], [B20] Int. Journ. Applied Thermodynamic [A5]

63 econnaissance académique
R econnaissance académique PLAN n Thermodyn. n Thermo-éco. n Conclusions Perspectives Chairman Reviewer Conférence sur invitation D.E.A. & Thèse Membre de jury de 15 DEA et de 4 thèses Encadrement direct de 9 étudiants de DEA Encadrement de 6 thèses soutenues et de 4 en cours IFOR’96 (Canada) ICOPE’97 (Japon) ASME (conférences) Applied Thermal Eng. (revue) Université d’Osaka

64 Habilitation à Diriger des Recherches Olivier Le Corre 21 Octobre 2003
PLAN n Thermodyn. n Thermo-éco. n Conclusions Perspectives erspectives P Habilitation à Diriger des Recherches Olivier Le Corre Octobre 2003

65 Habilitation à Diriger des Recherches Olivier Le Corre 21 Octobre 2003
erspectives P PLAN n Thermodyn. n Thermo-éco. n Conclusions Perspectives Contexte Crise énergétique sous-jacente Développement durable Effets environnementaux Nécessité de ressources pérennes Remise en cause de réseaux électriques centralisés Habilitation à Diriger des Recherches Olivier Le Corre Octobre 2003

66 P erspectives Adéquation Utilisation de « bio-carburants gazeux »
PLAN n Thermodyn. n Thermo-éco. n Conclusions Perspectives Adéquation Carburant Gazeux - Moteur à Combustion Interne Utilisation de « bio-carburants gazeux » Impact énergétique et environnemental - biogaz CET ou UTEE - gaz de gazéification Limiteur de cliquetis Courbe Enveloppe - Analyse Ondelettes Habilitation à Diriger des Recherches Olivier Le Corre Octobre 2003

67 uestions ? Q

68 R emerciements 1. Jeunes thésards formés ou en cours de formations
2. Centre de documentation 2. Centre de documentation 3. Centre informatique 3. Centre informatique 4. M. Tazerout 4. M. Tazerout