Etudes expérimentales des modes de combustion essence sous forte dilution et forte suralimentation.

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1 DRIA/SARA Etudes expérimentales des modes de combustion essence sous forte dilution et forte suralimentation. Journée François LACAS Le 22 novembre 2007 LANDRY Ludovic Directeur & Co-Directeur de thèse : Mme C. MOUNAÏM-ROUSSELLE & Mr F. FOUCHER Encadrant PSA Peugeot Citroën : Mr E. SAMSON

2 SOMMAIRE 1 - Contexte & Objectifs de l étude 2 - Vitesse de combustion laminaire 3 - Aérodynamique Interne Moteur 4 - Vitesse de combustion turbulente 5 - Perspectives 2

3 1 Contexte & Objectifs de l étude Contexte : L amélioration du rendement des moteurs essence est une solution possible, autre que l hybride, qui possède une influence directe sur les émissions de CO 2. Une voie efficace et applicable à court terme consiste à réduire la taille des moteurs : c est l approche dite «downsizing» Intérêt du downsizing Fonctionnement moteur sur une plage de charge de meilleur rendement. Diminution de la taille des moteurs Maintenir les performances moteur Suralimentation, EGR et richesse 1 Diminution du pompage Meilleur rendement Diminution de la consommation Diminution des émissions de CO 2 3

4 1 Contexte & Objectifs de l étude Les plages de pressions d admission et d EGR pour les moteurs downsizing vont de 0,3 à ~ 2,0 bars et de 0% à ~ 40% d EGR. Peu de données sur le développement de la combustion dans de telles conditions thermodynamiques. Objectif : Compréhension des phénomènes physiques se déroulant dans les conditions particulières du mode downsizing. 4

5 1 Contexte & Objectifs de l étude Diagramme de Combustion Turbulente (R. Borghi) 5

6 1 Contexte & Objectifs de l étude Diagramme de Combustion Turbulente (R. Borghi) P = 1 bar T = 400 K EGR = 0% q = 1m.s -1 L T = 1 mm 6

7 1 Contexte & Objectifs de l étude Diagramme de Combustion Turbulente (R. Borghi) P = 1 bar T = 400 K EGR = 0% q = 1m.s -1 L T = 1 mm P = 100 bar T = 400 K EGR = 0% q = 1m.s -1 L T = 1 mm 7

8 1 Contexte & Objectifs de l étude Diagramme de Combustion Turbulente (R. Borghi) P = 1 bar T = 400 K EGR = 0% q = 1m.s -1 L T = 1 mm P = 100 bar T = 400 K EGR = 0% q = 1m.s -1 L T = 1 mm P = 1 bar T = 1000 K EGR = 0% q = 1m.s -1 L T = 1 mm 8

9 1 Contexte & Objectifs de l étude Diagramme de Combustion Turbulente (R. Borghi) P = 1 bar T = 400 K EGR = 0% q = 1m.s -1 L T = 1 mm P = 1 bar T = 1000 K EGR = 30% q = 1 m.s -1 L T = 1 mm P = 100 bar T = 400 K EGR = 0% q = 1m.s -1 L T = 1 mm P = 1 bar T = 1000 K EGR = 0% q = 1m.s -1 L T = 1 mm 9

10 1 Contexte & Objectifs de l étude Caractérisation des grandeurs caractéristiques des flammes laminaires (S L et δ L ) Caractérisation des grandeurs caractéristiques de la turbulence (q et L T ) Détermination du régime de combustion. Validation du régime de combustion par une étude de la structure du front de flamme. Comparaison des tendances obtenues avec les modèles et expérimentalement. 10

11 1 Moyens expérimentaux Banc d essais moteur Mono-cylindre transparent Dispositif d EGR reconstitué (73,5% N 2, 12,5% CO 2 et 14% H 2 O composition représentant les gaz produit lors d une combustion stoechiométrique complète) Suralimentation par l air du réseau d air comprimé. Points d étude P admission : 0,70 1,00 1,30 et 1,50 bar Dilution : % EGR. 11

12 1 Moyens expérimentaux 700 mbar de pression admission & 20% EGR Pression cylindre (bar) mbar de pression d'admission & 20% EGR CA05 P = 13,80 bars T = 760 K Allumage P = 3,60 bars T = 540 K P max : 30 bars 1500 mbar de pression admission & 20% EGR Pression cylindre (bar) CA05 P = 27,60 bars T = 830 K Allumage P = 7,90 bars T = 600 K P max : 62 bars Angle vilebrequin (dv) Angle vilebrequin (dv) 12

13 SOMMAIRE 1 - Contexte & Objectifs de l étude 2 - Vitesse de combustion laminaire 3 - Aérodynamique Interne Moteur 4 - Vitesse de combustion turbulente 5 Perspectives 13

14 2 Vitesse de combustion laminaire Les corrélations empiriques de Metghalchi et Keck (1982) usuellement utilisées en simulations numérique ont des domaines de validités α β T P restreints. ( Su = Su0 (1 2.1 f) ) T P 0 0 Manque de données dans les gammes de pression, température et dilution rencontrées en moteur (10 à 30 bars, 700 à 900 K et 0 à 35% EGR). Simulation sous le logiciel PREMIX issus de la bibliothèque des logiciels de simulation de cinétique chimique CHEMKIN. Schéma cinétique réduit de Hasse et al. pour l isooctane (48 réactions et 29 espèces) 14 Validation expérimentale par visualisation de flamme sphérique en chambre de combustion à volume constant

15 2 Validation expérimentale 15 Conditions expérimentales : Mélange au repos. Pression initiale = 1 bar. Température = ~300K. Carburant liquide : Isooctane. Richesse : Stoechiométrie. trie. Dilution : 100% N 2 100% CO 2 73,5% N 2, 26,5% C0 2 Méthodologie pour déterminer d la vitesse de flamme laminaire (Université de Leeds) Enregistrement de la propagation de la flamme (6000 images / seconde ) Détermination de la vitesse de propagation & de l étirement Détermination de la vitesse de propagation à étirement nul (V 0 ) Détermination de la vitesse laminaire (= V 0 / facteur d expansion)

16 2 Validation de la qualité de nos mesures 0.4 P init = 1 bar T init = 300 K Flame speed [m/s] Hasse et al. (Model) Met & Keck (Correl) Davis & Law Huang Met & Keck Present Work Equivalence ratio 16

17 2 Impact de la dilution sur les vitesses P init = 1 bar T init = 300 K Richesse = 1 Flame speed (cm/s) N 2 (Experiment) N 2 (Model Hasse) CO 2 (Experiment) CO 2 (Model Hasse) 72% N 2 &28%CO 2 (Experiment) 72% N 2 &28%CO 2 (Model Hasse) Dilution ration (%) 17

18 2 Vitesse de combustion laminaire Conclusions : Les tendances obtenues avec le schéma cinétique d Hasse et al. sont en accord avec celles obtenues expérimentalement. La composition du diluant influence l évolution des vitesses de combustion laminaire. L EGR reconstitué utilisé sur le banc moteur est composé de 73,5% N 2, 12,5% CO 2 et 14% H 2 O (concentration représentative des gaz produit lors d une combustion stoechiométrique complète) 18

19 SOMMAIRE 1 - Contexte & Objectif de l étude 2 - Vitesse de combustion laminaire 3 - Aérodynamique Interne Moteur 4 - Vitesse de combustion turbulente 5 Perspectives 19

20 3 Aérodynamique Interne Moteur Détermination des grandeurs caractéristiques de la turbulence : échelle spatiale intégrale, L T, et l intensité turbulente, q, au moment du CA05 (angle où 5% de la masse est brûlée). CA05 = angle de visualisation sur le moteur transparent. Système PIV (Particle Image Velocimetry) Moteur entraîné Régime de rotation moteur : 1200 tr.min -1 P admission : 0,70 1,00 1,30 et 1,50 bar Laser Nd-Yag (532nm, 180 mj et 15 Hz) Ensemencement à l huile de silicone DT = 5 µs 20

21 3 Aérodynamique Interne Moteur Echelle intégrale selon la composante U en mm (Lu x ) dv Intensité turbulente (m.s-1) dv Pression d'admission (mbar) Pression d'admission (mbar) 21 Conclusions : L effet de la pression a peu de répercussions sur le mouvement d ensemble L effet de la pression a également peu d effets sur l intensité turbulente et sur les échelles spatiales intégrales.

22 SOMMAIRE 1 - Contexte & Objectif de l étude 2 - Vitesse de combustion laminaire 3 - Aérodynamique Interne Moteur 4 - Vitesse de combustion turbulente 5 Perspectives 22

23 4 Vitesse de combustion turbulente Détermination de l effet de la pression et de la dilution sur les vitesses de combustion turbulente au moment du CA05. Système Tomographie par plan laser Régime de rotation moteur : 1200 tr.min -1 P admission : 0,70 1,00 1,30 et 1,50 bar Dilution : % d EGR Laser Nd-Yag (532 nm, 180 mj et 15 Hz) Ensemencement à l huile de silicone DT = 150 µs Double pulse = suivi temporel de la propagation du front 23

24 4 Vitesse de propagation du front de flamme Image brute A Image binaire A Contour front A Binarisation Filtre Passe bas Vitesse de déplacement normale au front de flamme (Sd n ). Image brute B Image binaire B Contour front B 24

25 4 Vitesse de combustion turbulente t + t S d t Sd n S T U S T S T = Sd n -U n Cartographie moyenne U 25 Cartographies moyennes

26 10 4 Vitesse de combustion turbulente 14 Vitesse de combustion turbulente (m.s-1) Vitesse de combustion turbulente (m.s-1) 20% EGR 1300 mbar Pression d'admission (mbar) Dilution EGR (% Volumique) 26 La pression semble ne pas avoir de répercussion sur les vitesses de combustion turbulente. La dilution, quant à elle, diminue très nettement les vitesses de combustion turbulente.

27 SOMMAIRE 1 - Contexte & Objectif de l étude 2 - Vitesse de combustion laminaire 3 - Aérodynamique Interne Moteur 4 - Vitesse de combustion turbulente 5 Perspectives 27

28 5 Perspectives Caractériser l évolution temporelle de la vitesse de combustion turbulente avec la tomographie laser rapide Caractériser la structure du front de flamme par PLIF OH (283 nm) Comparer les taux de réaction (S T /S lo ) alors obtenus avec des modèles présents dans littérature 28

29 29 Merci de votre attention