Littérature scientifique sur le sujet « Délais d'auto-inflammation »

L'oxydation et l'auto-inflammation de quatre carburants issus de la biomasse ont été étudiées dans des réacteurs adaptés à leurs réactivités, à haute pression et dans un large domaine de température. L'auto-inflammation du biogaz purifié (CH4 + H2) et du gaz de synthèse (CO + H2) a été étudiée en tube à choc à 10 bar entre 1200 et 2000 K. Elle se fait en un seul stade sans coefficient négatif de température ni de flamme froide. La cinétique d'oxydation du méthanol a été étudiée dans un réacteur parfaitement agité à 10 bar entre 700 et 1200 K. L'influence des oxydes d'azote (NOx) sur la cinétique d'oxydation du méthanol a également été étudiée. En présence de NOx l'oxydation du méthanol est accélérée. L'analyse et la quantification des produits de combustion ont permis de construire et de valider un modèle thermocinétique composé de 39 espèces et 170 réactions. L'oxydation et l'auto-inflammation du diméthyléther ont été étudiées en machine à compression rapide de 600 à 900 K et de 1,7 à 8,3 bar. L'effet de NO2 sur l'oxydation du diméthyléther a également été étudié. La formation de méthanoate de méthyle a été mise en évidence durant ce travail. Le diméthyléther présente une phénoménologie d'autoinflammation en deux stades avec coefficient négatif de température et flammes froides. Les délais d'autoinflammation mesurés en présence de NO2 sont plus courts. La base de données expérimentales établie à partir des résultats de cette étude a permis de mettre à jour un modèle thermocinétique de l'oxydation et de l'autoinflammation du diméthyléther. Le nouveau modèle a été validé sur des mesures obtenues en machine à compression rapide, tube à choc et réacteur parfaitement agité.

Ce travail est une contribution à l'amélioration des connaissances de la phase de précombustion dans les moteurs diesel. Cette phase, appelée également délai d'auto-inflammation, joue en effet un rôle non négligeable dans la genèse des polluants aujourd'hui sévèrement réglementés. Une analyse bibliographique a tout d'abord permis de recenser les différents paramètres influençant le délai d'auto-inflammation ainsi que les différentes approches utilisées pour la modéliser. L'étude expérimentale a été réalisée dans une chambre de combustion à volume constant dont les parois sont maintenues à haute température. Les essais effectués ont permis de mettre en évidence l'influence qu'ont sur le délai d'auto-inflammation les température et pression initiales régnant dans la chambre de combustion avant injection, le type et le diamètre des trous de l'injecteur, la pression d'injection. Douze carburants différents ont été utilisés afin d'analyser le rôle joué par l'indice de cétane, la teneur en composés paraffiniques et les additifs. A partir de ces données expérimentales, deux modélisations complémentaires ont été envisagées. La première approche, empirique, est une extension de la loi de Wolfer au cas de différents carburants. Les coefficients de la relation proposée sont en effet exprimés en fonction de l'indice de cétane, de la teneur en composés paraffiniques et de la viscosité cinématique du combustible. Etablie à l'aide de six carburants, cette loi a été validée sur quatre autres. La deuxième modélisation consiste en un mécanisme chimique réduit comportant 34 réactions, implanté dans un code de calcul tridimensionnel. L'avantage de ce mécanisme est de permettre, en plus de la prédiction du délai, l'évaluation des différents polluants susceptibles de se former pendant la phase de combustion d'un moteur diesel.

En vue d'atteindre la neutralité carbone d'ici 2050, l’Union européenne envisage l'hydrogène comme un vecteur énergétique prometteur afin de réduire la consommation des ressources fossiles. Alors que les piles à combustible et les véhicules électriques occupent déjà une place importante dans la décarbonation du secteur des transports, l'hydrogène est également considéré comme une alternative aux carburants conventionnels pour les véhicules lourds. Toutefois, de nombreux obstacles liés aux propriétés physico-chimiques ainsi qu’à la combustion pauvre en hydrogène sont encore à l’étude : apparition de phénomènes de combustion anormale, production d'oxydes d'azote, instabilités dues aux effets thermodiffusifs. Cette thèse contribue à la compréhension du processus d’auto-inflammation des mélanges pauvres hydrogène/air ainsi qu’au phénomène de propagation des flammes prémélangées laminaires et turbulentes. Dans une première partie, des mesures de délais d’auto-inflammation hydrogène/air et hydrogène/air/oxydes d’azote sont réalisées à l’aide d’une machine à compression rapide afin de revisiter et valider un mécanisme cinétique dans des conditions similaires à celles rencontrées dans un moteur à allumage commandé. Dans une deuxième partie, des flammes laminaires prémélangées en expansion sont étudiées au sein d’une chambre de combustion sphérique à volume constant, en faisant varier la température initiale ainsi que la dilution à la vapeur d’eau et en considérant les instabilités intrinsèques liées aux propriétés physico-chimiques de l’hydrogène : instabilités thermodiffusives, hydrodynamiques et liées à la pesanteur. Dans une dernière partie,des flammes turbulentes prémélangées en expansion sont caractérisées par génération d’une turbulence homogène et isotrope au sein d’une chambre sphérique. Une étude paramétrique est réalisée par rapport à un cas de référence en faisant varier l’intensité turbulente, la pression initiale et la richesse. Finalement, une corrélation turbulente est proposée afin de décrire la propagation de ces flammes et en vue d’être utilisée dans des modèles numériques
In order to reach carbon neutrality by 2050, the European Union is considering hydrogen as a promising energy carrier to reduce reliance on fossil fuels. While fuel cells and electric vehicles already play an important role in decarbonizing the transport sector, hydrogen is also seen as an alternative to conventional fuels for heavy-duty vehicles. Yet, a number of challenges linked to the physico-chemical properties of lean hydrogen combustion are still under investigation: abnormal combustion phenomena, production of nitrogen oxides,instabilities due to thermodiffusive effects, to state a few. This thesis contributes to the understanding of the auto-ignition process in lean hydrogen/air mixtures, as well as the propagation of laminar and turbulent premixed flames. First, measurements of hydrogen/air and hydrogen/air/nitrogen oxides ignition delay times are carried out using a rapid compression machine, to update and validate a kinetic mechanism under spark ignition engine-like conditions. Second, outwardly propagating spherical premixed laminar flames were studiedin a constant-volume combustion chamber, varying the initial temperature and steam dilution, and considering the intrinsic instabilities linked to the physico-chemical properties of hydrogen namely thermodiffusive,hydrodynamic and gravity-related instabilities. Then, expanding premixed turbulent flames are characterized by the generation of a homogeneous and isotropic turbulence zone within a spherical chamber. A parametric study is conducted by varying turbulent intensity, initial pressure and equivalence ratio. Finally, a turbulent correlation is proposed to describe the turbulent propagation of such flames, for use in numerical models

Aujourd'hui, les constructeurs automobiles continuent de chercher les technologies renouvelables face à la pénurie d'énergie et les problèmes d'émission de polluants. Un moyen important pour optimiser l'économie de carburant et réduire les émissions polluantes des moteurs à allumage commandés est le concept 'downsizing'. Cependant, ce concept est limité par le phénomène de cliquetis dû aux conditions de haute température et haut pression. Dans cette étude, le contrôle de la concentration d'oxygène dans l'air est proposé. Car d'une part, la combustion enrichie en oxygène permet d'améliorer la densité de puissance de moteur avec le même niveau de pression d'admission. Cela permet soit de 'booster' la combustion pour augmenter la puissance du moteur ou de l'activer lorsque le moteur fonctionne à faible charge ou dans des conditions de démarrage à froid. D'autre part, une faible concentration en oxygène dans l'air (ou dilution de N2) par un système membranaire peut être considérée comme une alternative à la recirculation des gaz d'échappement. Les expériences ont été effectuées dans un moteur monocylindre 'downsizing' avec différents taux d'oxygène et richesse. L'étude de l'impact du contrôle de la concentration d'oxygène sur les caractéristiques de combustion et d'émissions a été effectuée pour plusieurs charges en fonctionnement optimum pour limiter la consommation spécifique de carburant. L'effet de la concentration en oxygène sur les caractéristiques de combustion du moteur a été simulé en utilisant le logiciel commercial AMESim avec le modèle de combustion développé par IFP-EN. En mettant en oeuvre des corrélations de la vitesse de combustion laminaire, déterminées au préalable durant ce travail, et délai d'auto-inflammation, les pressions dans les cylindres sont parfaitement calibrés avec une erreur maximale inférieure à 2% et l'intensité du cliquetis a pu être prédite.