Journée François LACAS Etudes expérimentales des modes de combustion essence sous forte dilution et forte suralimentation. Journée François LACAS Le 07 décembre 2006 Tuteurs PSA Peugeot Citroën : O. Pajot & E. Samson Directeurs de thèse : C. Mounaïm-Rousselle & F. Foucher LANDRY Ludovic

Contexte & Objectifs de l’étude Prise de conscience de l’impact de la pollution atmosphérique : Effet de serre (CO2, CH4)  réchauffement climatique anormal. Effet sur la santé (NOx, SO2, HC)  irritation des yeux et/ou de la gorge, cancers, anomalies génétiques, etc. Introduction puis durcissement des normes anti-pollution « Euro ». Post traitement des gaz d’échappement Amélioration du rendement Innovation technologique

Contexte & Objectifs de l’étude L’amélioration des rendements est aujourd’hui une des solutions, autre que l’hybride électrique, qui possède une influence directe sur les émissions de CO2. Downsizing : réduire la cylindrée du moteur sans perdre en performance grâce à la suralimentation. Utilisation d’EGR (pour Exhaust Gas Recirculation) pour réduire les émissions de NOx. Satisfaire les attentes industrielles et académiques Valider ou non l’utilisation des modèles de combustion turbulente prémélangée usuellement utilisés en simulation pour des conditions typées downsizing (forte dilution & pression). Apporter des connaissances supplémentaires sur le comportement de la combustion sous forte dilution & pression

Plan de la présentation Influence de la pression et de la dilution sur la combustion Impact sur les régimes de combustion Étude de l’effet de la dilution sur les vitesses de flammes laminaires (SL) à la stoechiométrie pour 3 carburants (méthane, propane et isooctane) : Modélisation sous PREMIX. Validation expérimentale par visualisation de flamme sphérique. Premiers résultats. Conclusions. Influence de la pression sur l’aérodynamique interne moteur Dispositif expérimental. Conclusions Perspectives

Effet de la pression/dilution sur la combustion Impact sur les régimes de combustion Diagramme de Combustion turbulente. Étude paramétrique d’après les travaux de Metghalchi et Keck (1982) et de Bradley et al. (1998)

Effet de la pression/dilution sur la combustion Étude de l’effet de la dilution sur les vitesses de flammes laminaires (SL) à la stoechiométrie pour 3 carburants (méthane, propane et isooctane) : Modélisation sous PREMIX. Conditions de simulation : pression de 0.1MPa, température de 300K et Richesse de 1. Schémas cinétiqes : GRI-mech 3.0 (219 réactions et 36 espèces) pour le méthane et le propane. Hasse (48 réactions et 29 espèces) pour l’isooctane. Composition de la dilution 1ère dilution : 100% N2. 2ème dilution : Mélange de 73.5% N2 et de 26.5% CO2. 3ème dilution : Mélange de 73.5% N2, 12.5% CO2 et 14% H2O.

Effet de la pression/dilution sur la combustion Étude de l’effet de la dilution sur les vitesses de flammes laminaires (SL) à la stoechiométrie pour 3 carburants (méthane, propane et isooctane) : Validation expérimentale par visualisation de flamme sphérique. Conditions expérimentales : Mélange au repos. Pression initiale = 0.1 MPa. Température = ~300K. Richesse = 1. Chambre de combustion Dispositif d’ombroscopie Méthodologie pour déterminer la vitesse de flamme laminaire.  Enregistrement de la propagation de la flamme (6000 images/seconde)  Détermination de la vitesse de propagation & de l’étirement  Détermination de la vitesse à étirement nul (V0)  Détermination de la vitesse laminaire (= V0/ facteur d’expansion)

Effet de la pression/dilution sur la combustion Étude de l’effet de la dilution sur les vitesses de flammes laminaires (SL) à la stoechiométrie pour 3 carburants (méthane, propane et isooctane) : Premiers résultats. Méthane Isooctane

Effet de la pression/dilution sur la combustion Étude de l’effet de la dilution sur les vitesses de flammes laminaires (SL) à la stoechiométrie pour 3 carburants (méthane, propane et isooctane) : Conclusions. Bonne cohérence entre l’expérience et le numérique pour les faibles taux de dilution (< 20 %). Divergence entre l’expérience et le numérique pour les forts taux de dilution (> 20%).  Temps caractéristique de combustion très faible donc + sensible aux perturbations extérieures (Convection naturelle). L’évolution des vitesses et les limites d’inflammabilité sont en accord avec les CP des diluants. L’utilisation du CO2 et du N2 pour simuler l’EGR semble plus judicieuse que le N2 seul et notamment pour les forts taux (>20%). Les tendances obtenues avec la relation de Metghalchi et Keck ne sont pas très représentatives.

Effet de la pression sur l’aérodynamique … Dispositif expérimental. Conditions expérimentales : Système PIV (Particle Image Velocimetry) Laser Nd-Yag (532nm, 180mJ, 15 Hz) Nappe à 5 mm de la culasse. Ensemencement à l’huile de silicone 200 couples d’image acquis par point de mesure Pression d’admission : 1.0 1.5 1.7 2.0 bars Température d’admission : ~300K Régime : 1200 tr/min

Effet de la pression sur l’aérodynamique … Conclusion Grands mouvements aérodynamiques -30dv 1.0 bar -30dv 2.0 bars

Effet de la pression sur l’aérodynamique … Conclusion Grandeurs caractéristiques de la turbulence Décomposition d’un champ instantané par POD (pour Proper Orthogonal Decomposition).

Effet de la pression sur l’aérodynamique … Conclusion Grandeurs caractéristiques de la turbulence

Perspectives Déterminer les vitesses laminaires en chambre de combustion à volume constant pour le propane et l’isooctane avec de fort taux de dilution. Déterminer les limites de fonctionnement en combustion « normale » sur moteur et mesurer les polluants Réaliser des essais de visualisation directe afin de voir l’effet de la dilution et de la forte pression sur l’initiation et la propagation de la flamme. Réaliser des essais de PLIF à 283 nm (OH), à 355 nm (Formaldéhyde, HC) afin d’étudier la vitesse de propagation et le plissement du front de flamme dans nos conditions.

MERCI pour votre attention