D.E.A - T. E. GP. Spécialité Energétique Présenté par Cédric GARNIER Caractérisation de la combustion dans un moteur Dual-Fuel fonctionnant au Gaz de Gazogène Responsable scientifique: O. LE CORRE Département Systèmes Énergétiques et Environnement École des Mines de Nantes 11 juillet 2003

Contexte de l’étude Contexte énergétique mondial : Gaz de gazogène : Introduction Délai Ignition Combustion Emissions Conclusion Contexte de l’étude Contexte énergétique mondial :  chute des réserves de pétrole  nouvelles ressources énergétiques  traitement des déchets Gaz de gazogène :  Issu de la combustion incomplète du bois  dit gaz « pauvre » car de faible PCI (4,7 MJ/kg)

Moteur Dual-Fuel Principe: Substitution: Introduction Délai Ignition Combustion Emissions Conclusion Moteur Dual-Fuel Principe: les conditions thermodynamiques dans le cylindre lors de l’auto-inflammation du gazole sont propices à l’initiation et à la propagation de la combustion du gaz pauvre. Substitution:

Problématique Banc moteur EMN Pression cylindre p angle vilebrequin  Introduction Délai Ignition Combustion Emissions Conclusion Problématique Banc moteur EMN Pression cylindre p angle vilebrequin  Modèle d’analyse « 1 zone » Dégagement de chaleur expérimental

Analyse de la courbe expérimentale Introduction Délai Ignition Combustion Emissions Conclusion Analyse de la courbe expérimentale Combustion « prémélangée pilote » Combustion « prémélangée gazeuse » Délai d’ignition Injection du gazole dans la chambre Auto-inflammation du gazole Combustion « diffusante »

Objectifs Modèle de prédiction du Délai d’Ignition Introduction Délai Ignition Combustion Emissions Conclusion Objectifs Modèle de prédiction du Délai d’Ignition  Équation de type Arrhénius modifiée Modèle de prédiction de la courbe de combustion  3 Lois de Wiebe Caractérisation des émissions polluantes  taux de CO2, NOx et HC

DELAI D’IGNITION

DI expérimental Angle d’injection départ de combustion Introduction Délai Ignition Combustion Emissions Conclusion DI expérimental Angle d’injection départ de combustion Pression dans le circuit d’injection (mesures moteur GPL-gazole, A. Bilcan) Détermination du départ de combustion

en fonction de la substitution Introduction Délai Ignition Combustion Emissions Conclusion DI expérimental DI expérimentaux en fonction de la substitution

Prédiction du DI Relation de Prakash et al. (SAE, 1999): Introduction Délai Ignition Combustion Emissions Conclusion Prédiction du DI Relation de Prakash et al. (SAE, 1999): - A , EA , Oc : paramètres connus/calculables - D , Q : paramètres fonction de Tinj et Pinj - Cf , k : paramètres inconnus à déterminer pour calibrage sur les valeurs expérimentales

Phase de compression avant injection de gazole Introduction Délai Ignition Combustion Emissions Conclusion Calcul de D et Q Hypothèses compression polytropique et gaz parfait : ndf en mode Dual - Fuel : (A. Bilcan et al., ASME, 2001) PMB Injection gazole Phase de compression avant injection de gazole Tinj , Pinj , Vinj Tadm , Padm , Vadm Concentration volumique de gaz dans la chambre

Coefficient polytropique Introduction Délai Ignition Combustion Emissions Conclusion Coefficient polytropique Expression de α (A. Bilcan et al., ASME, 2001): expression de   calcul de ndf  calcul de Tinj , Pinj  calcul de D, Q

Calcul de Cf et k Méthode des moindres carrés: Introduction Délai Ignition Combustion Emissions Conclusion Calcul de Cf et k Méthode des moindres carrés: Soit Yi = a + b.xi + ei les équations de droites expérimentales = ln ( DI mesuré ) Soit yi = a + b.xi les équations de droites de prédiction = ln ( DI prédit ) Soit à minimiser

Comparaison des résultats Introduction Délai Ignition Combustion Emissions Conclusion Comparaison des résultats Charge 40% Charge 50% Écarts < 1°V pour les substitutions > 30% Corrélation validée

MODELISATION DE LA COMBUSTION

Lois de Wiebe Loi de Wiebe : Dégagement de chaleur modélisé : Introduction Délai Ignition Combustion Emissions Conclusion Lois de Wiebe Loi de Wiebe : Dégagement de chaleur modélisé :

Combustion prémélangée pilote Introduction Délai Ignition Combustion Emissions Conclusion Combustion prémélangée pilote Début: départ de la combustion définie pour Fin: extrapolation de la pente du pic de combustion

Facteur d’erreur ε Quantification de l’écart prédictif / expérimental: Introduction Délai Ignition Combustion Emissions Conclusion Facteur d’erreur ε Quantification de l’écart prédictif / expérimental:

Combustion diffusante Introduction Délai Ignition Combustion Emissions Conclusion Combustion diffusante Début: méthode de la bissection: passage par valeur nulle de la courbe (dQ/d)restante Fin: fin de la combustion définie pour une fraction brûlée de 99,9%

Combustion prémélangée gazeuse Introduction Délai Ignition Combustion Emissions Conclusion Combustion prémélangée gazeuse Début: méthode de bissection sur la courbe restante Fin:

Analyse et conclusions Introduction Délai Ignition Combustion Emissions Conclusion Analyse et conclusions Courbe résiduelle (fluctuations de pression)

Exemples de prédictions Introduction Délai Ignition Combustion Emissions Conclusion Exemples de prédictions Bonne corrélation entre expérimental et prédictif

Lois de comportement Extrapolation linéaire des coefficients: Introduction Délai Ignition Combustion Emissions Conclusion Lois de comportement Extrapolation linéaire des coefficients:

Lois de comportement Conclusions: Introduction Délai Ignition Combustion Emissions Conclusion Lois de comportement Conclusions:  paramètres angulaires indépendants de la substitution  facteurs de forme M indépendants de la substitution  valeur proche de 1 pour la pente de Q=f (ds) Paramètre a b combustion prémélangée pilote 0 (CA) -1,9.10-2 359  (CA) 2,9.10-3 8,2 Q (J) -0,97 248 M (-) 2,3.10-2 1,84 combustion prémélangée gazeuse 0 (CA) -1,5.10-2 365  (CA) -6,6.10-2 22,4 Q (J) 1,14 137 M (-) 1,4.10-3 0,72 combustion diffusante  (CA) 1.10-2 84,7 M (-) 0 0,4

EMISSIONS POLLUANTES

Émissions polluantes CO2 : NOx : HC (Hydrocarbures imbrûlées) : Introduction Délai Ignition Combustion Emissions Conclusion Émissions polluantes CO2 :  Contribue à l’effet de serre  Nouveaux enjeux écologiques et politiques NOx :  Formation de NO, puis oxydation en NO2 dans l’atmosphère  Cinétique de formation de type Arrhénius HC (Hydrocarbures imbrûlées) :  Composants du carburant ou produits obtenus par des réactions complexes entre hydrocarbures

Émissions de CO2 mesurées Introduction Délai Ignition Combustion Emissions Conclusion Analyse des CO2 Émissions de CO2 mesurées en mode Dual-Fuel

Émissions de NOx mesurées Introduction Délai Ignition Combustion Emissions Conclusion Analyse des NOx Expression analytique: Résultat (charge 40 %) : A = 8,1.10 6 ppm EA = 36 kJ/mol Émissions de NOx mesurées en mode Dual-Fuel

Émissions de HC mesurées Introduction Délai Ignition Combustion Emissions Conclusion Analyse des HC Émissions de HC mesurées en mode Dual-Fuel

Résultats Intérêt: Inconvénient: Introduction Délai Ignition Combustion Emissions Conclusion Résultats Intérêt: Consommation réduite de gazole donc de pétrole Inconvénient: Augmentation du taux de polluants avec la substitution Études indispensables des process de production, transport, etc… pour une analyse plus exhaustive.

CONCLUSION

Rappel des objectifs : Bilan des travaux: Introduction Délai Ignition Combustion Emissions Conclusion Rappel des objectifs :  caractérisation de la combustion dual-fuel {gazole-gaz de gazogène}  proposition d’une méthode d’analyse et d’interprétation par 3 lois de Wiebe Bilan des travaux:  validation des modèles de prédiction  présentation en cours de validation (journal SAE)

FIN