Rappels sur les flammes laminaires de prémélange 

Rappels sur les flammes laminaires de prémélange 

Étude comparative des propriétés des carburants

Tout d’abord, l’essence et l’isooctane ont un pouvoir calorifique inférieur (PCI) ou un contenu énergétique supérieur aux alcools. Il y aura nécessairement une surconsommation de carburant en termes de volume de carburant au 100 km avec l’utilisation des alcools par rapport à l’essence et l’isooctane. Mais, les deux alcools ont moins de carbones et un atome d’oxygène. Ceci implique que pour brûler une molécule d’éthanol ou de butanol, on a besoin de moins d’air que pour nos deux hydrocarbures, d’où le fait que le rapport stœchiométrique soit plus faible pour l’éthanol et le butanol. Cependant, la présence d’oxygène dans les alcools peut favoriser la combustion et donc diminuer les émissions d’hydrocarbures imbrûlés ou de produits d’oxydation partielle (HC, CO). On notera que le butanol tend à se rapprocher de l’essence et de l’isooctane en termes de pouvoir calorifique et de rapport stœchiométrique. La température d’auto-inflammation est plus élevée pour les alcools que pour l’essence, mais inférieure à celle de l’isooctane, donc le risque d’auto-inflammation ou de cliquetis (combustion anormale) est diminué vis-à-vis de l’essence.

Combustion laminaire de prémélange

La combustion laminaire de prémélange est le siège de nombreux phénomènes interagissant entre eux tels que les transferts de masse et de chaleur, la thermochimie et la thermodynamique.  Les gaz frais (ayant une température Tu et une masse volumique ρu) et les gaz brûlés (ayant une température Tb et une masse volumique ρb) sont séparés par une mince zone de réaction (le front de flamme). Les transferts de chaleur, en particulier la diffusion thermique, ont ici un rôle important, puisque le front de flamme  chauffe les gaz frais. Dès que les gaz frais ont atteint la température critique d’auto inflammation Ti, les gaz frais s’enflamment et sont le siège de réactions globalement exothermiques. Le front de flamme se propage de proche en proche vers les gaz frais. La vitesse SL de combustion caractérise la vitesse à laquelle l’interface, séparant les gaz frais des gaz brûlés, se déplacent. Elle dépend de nombreux paramètres comme la nature du mélange (carburant, richesse, dilution), la pression et la température des gaz frais,….

Instabilités du front de flamme

Les flammes de prémélange sont sensibles aux instabilités qui peuvent contribuer à la déformation des zones réactives. En effet, au niveau du front de flamme, les gaz sont soumis à de fortes perturbations de concentration ou de température, qui peuvent entraîner une modification locale de l’équilibre entre la convection et la diffusion. Ceci provoque le déplacement et la déformation du front de flamme vers une nouvelle position d’équilibre, qui peut être stable ou instable selon les phénomènes impliqués.

Instabilités dues aux forces de gravité

Cette instabilité apparait lorsque deux gaz de masses volumiques différentes sont superposés.
En effet, si le gaz le plus chaud (donc ayant la plus faible densité) se trouve en-dessous du gaz plus froid (on considère ici une flamme se propageant vers le haut), le front de flamme sera alors soumis aux effets de la gravité et donc à des instabilités. Il faut préciser que dans notre étude, ces instabilités ne seront pas prises en compte, car elles sont négligeables dans le cas des moteurs à combustion interne.

Instabilités hydrodynamiques

Une des caractéristiques du front de flamme est la variation brutale de la masse volumique entre les gaz frais, ρu, et les gaz brûlés, ρb. Lors de la traversée du front de flamme, la vitesse normale du gaz augmente d’un facteur ρu/ρb (appelé facteur d’expansion thermique), à cause  du fort gradient de température. Darrieus (1945) et Landau (1944) ont été les premiers à étudier la réponse du front de flamme à des perturbations de faibles amplitudes. Ils ont montré qu’une flamme plane de prémélange, se propageant à une vitesse de combustion non étirée laminaire SL0, était intrinsèquement instable.

Instabilités thermodiffusives

Ces instabilités ont pour origine le développement de flux diffusifs dans la direction tangente au front de flamme. Tout d’abord, l’étude de ces instabilités a été réalisée en négligeant les instabilités hydrodynamiques (Joulin et Clavin (1979)). Puis en considérant que la zone de réaction a une épaisseur non-négligeable, la flamme de prémélange plissée est gouvernée par des effets diffusifs : la diffusion de masse d’espèces réactives, représentée par le coefficient de diffusion moléculaire Dm, et la diffusion thermique, représentée par le coefficient de diffusion thermique Dth.  Dans cette configuration il se produit transversalement aux zones réactives des phénomènes de diffusion de masse et de chaleur dans des directions opposées. Ainsi dans la zone I, la diffusion de chaleur tend à diminuer la température des gaz et donc ralentir la propagation de la flamme, tandis que la diffusion de masse augmente et amène des espèces réactives permettant de l’accélérer. Le processus inverse est observé dans la zone II.

Longueur de Markstein du côté des gaz brûlés

Le développement qui suit permettra l’introduction de la longueur de Markstein du côté des gaz brûlés qui permet à son tour, de déterminer la vitesse de propagation non-étirée des gaz brûlé. Ce développement permettra d’illustrer d’où proviennent les équations utilisées lors du post-traitement des données expérimentales obtenues.
Tout d’abord, on étudie le cas d’un développement de flamme sphérique avec les hypothèses suivantes:
Un état quasi-stationnaire, sauf pour l’évolution du rayon.
La flamme est adiabatique et isobare
Une réaction exothermique à une seule étape, a une grande énergie d’activation.
Le rayon de la flamme est grand devant l’épaisseur de la flamme.
La vitesse des gaz brûlés est nulle.
Les propriétés thermiques sont constantes et la loi des gaz parfaits s’applique.
Les transferts radiatifs et l’énergie d’allumage sont négligés.

Effet de la pression sur les carburants purs

Les résultats des longueurs de Markstein du côté des gaz brûlés pour différentes pressions initiales sont tracés en fonction de la richesse pour le B0/E0 (a), le B100 (b) et le E100 (c). Pour l’ensemble de ces carburants, plus la richesse augmente, plus les longueurs de Markstein du côté des gaz brûlés diminuent, de même avec la pression. Donc, la flamme est moins sensible au taux d’étirement et est donc plus stable. Cependant certaines longueurs de Markstein du côté des gaz brûlés atteignent des valeurs négatives, ce qui  correspond à des instabilités thermo-diffusives du front de flamme, qui mène à un début de cellularité de la flamme (Poinsot et Veynante (2001b)). Ce phénomène apparait pour les mélanges riches et des pressions supérieures à 0.1 MPa. Toutefois l’impact de la richesse est beaucoup moins explicite à la pression de 1.0 MPa, mais à ces conditions les mesures sont les plus délicates.
À noter que le B100, à 1.0 MPa, a un comportement opposé à ce qui a été trouvé précédemment dans la majorité des cas. La valeur de la longueur de Markstein du côté des gaz brûlés pour φ=0.8 est négative, alors qu’elle devrait être positive. D’ailleurs, la flamme était stable sur ce point là.

Table des matières

INTRODUCTION
CHAPITRE 1 PRÉSENTATION DES ALCOOLS 
1.1 Introduction 
1.2 Éthanol 
1.2.1 Moyens de fabrications
1.2.2 Propriétés
1.3 Butanol 
1.3.1 Moyens de fabrication
1.3.2 Propriétés
1.4 Étude comparative des propriétés des carburants 
1.5 Des solutions technologiques
PARTIE I CARACTÉRISATION FONDAMENTALE DE LA COMBUSTION DES ALCOOLS
CHAPITRE 2 DÉTERMINATION EXPÉRIMENTALE DES VITESSES DE COMBUSTION LAMINAIRE POUR DES MÉLANGES ISOOCTANE/ALCOOLS 
2.1 Introduction 
2.2 Rappels sur les flammes laminaires de prémélange 
2.2.1 Combustion laminaire de prémélange
2.2.2 Instabilités du front de flamme
2.2.2.1 Instabilités dues aux forces de gravité
2.2.2.2 Instabilités hydrodynamiques
2.2.2.3 Instabilités thermodiffusives
2.2.3 Théorie
2.2.3.1 Longueur de Markstein du côté des gaz brûlés
2.2.3.2 Longueur de Markstein du côté des gaz frais
2.3 État de l’art sur les vitesses de combustion laminaire pour les carburants purs 
2.3.1 Isooctane
2.3.1.1 Corrélation de Babkin et al.
2.3.1.2 Corrélation de Metgahlchi et Keck
2.3.1.3 Corrélation de Gülder
2.3.1.4 Corrélation de Müller et al.
2.3.1.5 Corrélation de Bradley et al.
2.3.1.6 Corrélation de Martz et al.
2.3.1.7 Corrélation de Marshall et al.
2.3.1.8 Autres données
2.3.1.9 Conclusions
2.3.2 Éthanol
2.3.2.1 Corrélation de Gülder
2.3.2.2 Corrélation de Liao et al.
2.3.2.3 Corrélation de Marshall et al.
2.3.2.4 Corrélation de Eisazadeh-Far et al.
2.3.2.5 Autres données
2.3.2.6 Conclusion
2.3.3 Butanol
2.3.4 Autres auteurs
2.4 Dispositif expérimental 
2.5 Détermination de la vitesse de combustion laminaire 
2.6 Résultats 
2.6.1 Effet de la pression sur les carburants purs
2.6.1.1 Données expérimentales
2.6.1.2 Comparaison avec la littérature : Isooctane
2.6.1.3 Comparaison avec la littérature : Éthanol
2.6.1.4 Comparaison avec la littérature : Butanol
2.6.2 Effet de l’ajout d’alcool
2.6.3 Longueurs de Markstein du côté des gaz brûlés
2.6.3.1 Effet de la pression sur les carburants purs
2.6.3.2 Effet de l’ajout d’alcool
2.7 Proposition d’une corrélation 
2.7.1 Effet de la richesse et de la pression
2.7.2 Effet des mélanges
2.7.3 Validation de la corrélation
2.8 Conclusion 
CHAPITRE 3 ÉTUDE NUMÉRIQUE SUR LES VITESSES DE COMBUSTION LAMINAIRE 
3.1 Introduction
3.2 Description du schéma cinétique 
3.3 Résultats 
3.3.1 Carburants purs
3.3.2 Mélanges isooctane/éthanol
3.3.3 Mélanges isooctane/butanol
3.3.4 Conclusion
3.4 Étude de simulation avec le code PSR 
3.4.1 Oxydation de l’isooctane
3.4.2 Oxydation de l’éthanol
3.4.2.1 Données expérimentales de Dagaut et Togbé (2008c)
3.4.2.2 Données expérimentales de Leplat et al. (2010g)
3.4.3 Oxydation du Butanol
3.4.3.1 Données expérimentales de Dagaut et Togbé (2008d)
3.4.3.2 Données expérimentales de Dagaut et al. (2009c)
3.4.4 Conclusion
3.5 Analyse de sensibilité 
3.5.1 Étude de sensibilité sur le débit
3.5.2 Étude de sensibilité des réactions de décomposition du carburant sur le débit
3.6 Conclusion 
PARTIE II APPLICATION DANS LES MOTEURS À ALLUMAGE COMMANDÉ 
CHAPITRE 4 INFLUENCE DE L’AJOUT D’ALCOOLS SUR LA PROPAGATION DE LA COMBUSTION DANS UN MOTEUR TRANSPARENT À ALLUMAGE COMMANDÉ 
4.1 Introduction 
4.2 État de l’art 
4.2.1 Caractéristiques de la combustion des alcools dans les moteurs à allumage commandé
4.2.2 Analyse d’images
4.3 Montage expérimental 
4.3.1 Le moteur monocylindre à accès optiques
4.3.2 Les conditions de fonctionnement
4.3.3 Le système d’acquisition d’images
4.4 Résultats 
4.4.1 Corrélations entre l’évolution temporelle de la flamme et la fraction massique de gaz brûlés
4.4.2 Évolution temporelle de la flamme
4.4.2.1 Carburants purs
4.4.2.2 Mélanges isooctane/éthanol
4.4.2.3 Mélanges isooctane/butanol
4.4.2.4 Conclusion
4.4.3 Les écart-types
4.4.4 Corrélations avec les vitesses de combustion laminaire
4.4.5 Corrélations avec le taux d’étirement
4.4.6 Délais d’allumage
4.5 Conclusion 
CHAPITRE 5 INFLUENCE DE L’ADDITION D’ALCOOLS DANS LE CARBURANT SUR LES ÉMISSIONS POLLUANTES D’UN MOTEUR À ALLUMAGE COMMANDÉ À ISOPERFORMANCE 
5.1 Introduction 
5.2 État de l’art
5.3 Montage expérimental 
5.4 Points d’essais 
5.5 Impact sur la Performance et le réglage moteur 
5.6 Impact sur les Polluants réglementés 
5.7 Impact sur les Polluants non-réglementés 
5.8 Conclusion 
CONCLUSION

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