Etude du déclenchement de combustion de mélanges air-propane et air-heptane par décharge ...

185 Pages·2016·23.61 MB·French

by  Sabrina Bentaleb

Etude du déclenchement de combustion de mélanges
air-propane et air-heptane par décharge
mono-impulsionnelle nanoseconde
Sabrina Bentaleb
To cite this version:
Sabrina Bentaleb. Etude du déclenchement de combustion de mélanges air-propane et air-heptane par
décharge mono-impulsionnelle nanoseconde. Autre [cond-mat.other]. Université Paris Sud - Paris XI,
2012. Français. ￿NNT: 2012PA112123￿. ￿tel-00737498￿
HAL Id: tel-00737498
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THESEDEDOCTORATDEL’UNIVERSITÉPARIS-SUDXI
ÉcoleDoctoraleOndesetMatières
pourobtenirlegradede
DOCTEUR
Spécialité
Physique des Plasmas
présentéepar
Sabrina BENTALEB
Sujetdelathèse:
Etude du déclenchement de combustion de mélanges air-propane et
air-heptane par décharge mono-impulsionnelle nanoseconde
Soutenanceprévuele06juillet2012devantlejurycomposéde:
M. Frédéric GRISCH Professeur,INSA,Rouen Rapporteurs
M. Jean-Marc BAUCHIRE MaîtredeConférences,GREMI,Orléans
M. Khaled HASSOUNI Professeur,LIMHP,Villetaneuse Examinateurs
M. André AGNERAY Ingénieur,RENAULT,Guyancourt
M. Tiberiu MINEA Professeur,LPGP,Orsay
M. Pierre TARDIVEAU MaîtredeConférences,LPGP,Orsay Directeur
Mme. Nicole SIMIAND ChargédeRecherche,LPGP,Orsay Invité
ii
iii
Remerciements
Le travail présenté dans ce manuscrit a été réalisé au Laboratoire de Physique des Gaz et
desPlasmasauseindel’équipeDIREBIO.Jetiensàexprimermagratitudeetreconnaissanceà
touteslespersonnesquiontpermislaréalisationetl’aboutissementdecettethèse.
Je tiens tout d’abord à remercier tous les membres du jury pour leur participation, en par-
ticulier Jean-Marc Bauchire et Frédéric Grisch pour avoir bien voulu être rapporteurs de cette
thèse, Khaled Hassouni, André Agneray et Nicole Simiand pour avoir accepté d’évaluer ce tra-
vail, ainsi que Tiberiu Minea pour avoir présidé mon jury. Je les remercie donc vivement pour
l’intérêtqu’ilsontportéàcettethèse.
J’aimeraisremerciertrèssincèrementLionelMagne,PascalJeanneyetNicoleSimiandpour
leur collaboration, leur disponibilité, et leurs précieux conseils et discussions scientifiques qui
m’ontbeaucoupaidéepourcetravail.
Il y a évidemment les doctorants, membres du laboratoire et amis, qui m’ont entouré durant
touteoupartiedelathèse.Jepense,entreautresbiensûràVirginie,Vandad,Nico,Fred,Pascal,
Meryem,Florent,Lise,Katell,Pierre,Alexis,Sophie,Bruno,Franck,Ismaël,Adrien,Wil,Ouya,
Claire, Caroline, Gérard, Jean, Nicolas, Thierry... Je n’oublierai pas les moments très agréables
passés ensemble. Je souhaite remercier tout particulièrement les membres du MIP : Fred, Nico,
VandadetVirginie(leVduSGVS)pournosnombreusesaventures.
J’exprime enfin toute ma gratitude à ma famille qui m’a apporté soutien et encouragements
toutaulongdemesétudes.
iii
iv
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Table des matières
Introductiongénérale 1
1 Allumagecommandédanslesmoteursautomobiles 5
1.1 L’allumageclassiqueparétincelle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6
1.1.1 Lecontextedumoteur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6
1.1.1.1 Fonctionnementd’unmoteuràallumagecommandé . . . . . 6
1.1.1.2 Lescontraintesliéesaumoteur . . . . . . . . . . . . . . . . 8
1.1.2 L’étincelle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9
1.1.2.1 Caractéristiquesélectriques . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9
1.1.2.2 Descriptiondesphasesdel’étincelle . . . . . . . . . . . . . 11
1.1.2.3 Transfertsd’énergiesuiteàl’étincelle . . . . . . . . . . . . . 13
1.1.2.4 Dessolutionsalternatives . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15
1.1.3 Combustionetpropagationdeflamme . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16
1.1.3.1 Lapropagationdeflamme . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16
1.1.3.2 Chimiedelacombustion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21
1.1.4 Lacréationdunoyaudeflamme . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27
1.1.4.1 Définitiondurayoncritique . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28
1.1.4.2 Energiecritique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28
1.1.4.3 Del’importancedesradicauxetdeleurorigine . . . . . . . . 30
1.2 Lesplasmashors-équilibrecommesourcesderadicaux . . . . . . . . . . . . . 35
1.2.1 Déchargesàpressionatmosphérique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35
1.2.1.1 Déchargescouronnedetypestreamer . . . . . . . . . . . . . 35
v
Tabledesmatières
1.2.1.2 L’arcentravé . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41
1.2.1.3 Lesdéchargesradiofréquence . . . . . . . . . . . . . . . . 42
1.2.1.4 Lesdécharges"nanosecondes" . . . . . . . . . . . . . . . . 43
1.2.2 Utilisationdedécharges"nanosecondes" . . . . . . . . . . . . . . . . 45
1.2.2.1 Déchargesfonctionnantenmoderépétitif . . . . . . . . . . . 45
1.2.2.2 Déchargesmono-impulsionnelles . . . . . . . . . . . . . . . 46
1.2.2.3 Ladéchargenanosecondemono-impulsionnelleultra-courte . 50
2 Miseenœuvreexpérimentale 55
2.1 Leréacteurd’étude . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56
2.1.1 Configurationdeséléctrodes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56
2.1.2 Contrôledumélangeair-hydrocarbures . . . . . . . . . . . . . . . . . 57
2.2 Générationdetrèshautessurtensions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59
2.2.1 Principegénéral . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59
2.2.2 Choixdescommutateursetsynchronisationdugénérateur . . . . . . . 61
2.2.3 Contrôledesperturbationsélectromagnétiques . . . . . . . . . . . . . 62
2.3 Diagnostics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63
2.3.1 Diagnosticsélectriques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63
2.3.1.1 Réalisationetmiseenplacedessondes . . . . . . . . . . . . 63
2.3.1.2 Traitementsdesdonnéesetcalculdel’énergiededécharge . 66
2.3.1.3 Analyseducourantdedécharge . . . . . . . . . . . . . . . . 67
2.3.2 Imagerierapide . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68
2.3.3 Spectroscopied’émission . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69
2.3.3.1 Presentationdusystemespectroscopique . . . . . . . . . . . 70
2.3.3.2 Calibrationetfonctiond’appareil . . . . . . . . . . . . . . . 70
2.3.3.3 Traitementdesdonnéesetcalculdelatempératuredugaz . . 71
2.3.3.4 Résultatsdespectroscopie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73
2.3.4 FluorescenceInduiteparLaser(LIF) . . . . . . . . . . . . . . . . . . 75
2.3.4.1 PrincipedelaLIF . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 75
2.3.4.2 Schémad’excitationetdecollectionduradicalOH . . . . . 77
vi
Tabledesmatières
2.3.4.3 Miseenœuvreexpérimentale . . . . . . . . . . . . . . . . . 79
2.3.4.4 TraitementdesimagesdefluorescencedeOH . . . . . . . . 83
3 Déchargenanosecondepulséedansdesmélangesair/hydrocarbures 87
3.1 Etudedeladéchargedanslepropane . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 88
3.1.1 Influencedel’hydrocarburesurledéveloppementduglow . . . . . . . 89
3.1.2 Influencedel’hydrocarburesurlafilamentationdeladécharge . . . . . 92
3.1.3 Dépôtd’énergiedansunmélangeair-propane . . . . . . . . . . . . . . 93
3.2 Etudedeladéchargedanslen-heptane . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 94
3.2.1 Effetdel’hydrocarburesurledéveloppementduglow . . . . . . . . . 95
3.2.2 Effetsurlafilamentationetl’énergiedeladécharge . . . . . . . . . . . 97
3.2.3 Etudecomparativeavecladéchargedanslepropane . . . . . . . . . . 98
3.2.3.1 Comparaisonenfonctiondel’hydrocarbure . . . . . . . . . 98
3.2.3.2 Comparaisonenfonctiondeladistanceinter-électrodes . . . 99
3.3 Rôledel’hydrocarburedanslatransitiondiffus/filamentairedeladécharge . . 100
3.3.1 Retoursurlesmécanismesenvisagés . . . . . . . . . . . . . . . . . . 101
3.3.2 Vitesse de dérive des électrons et champ critique d’ionisation dans les
hydrocarbures . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 102
3.3.3 Photo-ionisationdansleshydrocarbures . . . . . . . . . . . . . . . . . 104
3.3.4 ElectronsRunawayetgénérationXenprésenced’hydrocarbures . . . . 107
4 Déclenchementdecombustionpardéchargedansdesmélangesair-hydrocarbures 113
4.1 Déclenchementetnoyaudeflamme . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 115
4.1.1 Structuredunoyaudeflamme . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 115
4.1.1.1 Allumageponctuel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 115
4.1.1.2 Allumagecylindrique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 117
4.1.1.3 Doubleallumage . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 118
4.1.2 Energieminimumdedéclenchementdecombustion . . . . . . . . . . 120
4.2 Propagationdeflammeetdélaisdecombustion . . . . . . . . . . . . . . . . . 122
4.2.1 Vitessedeflamme . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 122
vii
Tabledesmatières
4.2.2 Combustiondemélangesstœchiométriques . . . . . . . . . . . . . . . 124
4.2.3 Inflammationdemélangespauvres . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 128
4.2.4 Déclenchementdecombustiondanslepropaneà2bars . . . . . . . . . 129
4.2.4.1 Caractéristiquesdeladéchargeenpression . . . . . . . . . . 129
4.2.4.2 Déclenchementetpropagationdecombustion . . . . . . . . 131
4.3 Deladéchargeaunoyaudeflamme . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 131
4.3.1 SuividuradicalhydroxyleOHdansunmélangeair-propane . . . . . . 132
4.3.1.1 Profilsspatiaux . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 133
4.3.1.2 Profilstemporels . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 135
4.3.1.3 ComparaisonavecdesprofilsdeOHendéchargehomogène . 135
4.4 Déclenchementdecombustiondun-heptaneàbassetempérature-EffetsdeO(3P)138
4.4.1 Casdel’auto-inflammation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 139
4.4.2 Déclenchementàl’aidedesradicaux . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 140
4.4.2.1 Profilstemporelsdetempératureetdeconcentration . . . . . 140
4.4.2.2 Liensentretempérature,densitédeO etrichesse . . . . . . 143
p
Conclusiongénéraleetperspectives 148
Annexes 155
Bibliographie 174
viii
1
Introduction générale
Depuis une vingtaine d’années, un intérêt particulier est porté aux applications des plasmas
hors-équilibreàhautepressionpourl’allumagedemélangescombustiblesetpourlacombustion
assistée par plasma. Même si le principe de l’allumage classique par étincelle est depuis long-
temps connu et utilisé dans l’industrie automobile, ce système présente néanmoins quelques
limites. En effet, le caractère localisé de l’étincelle créée sur une distance inter-électrodes de 1
mm réduit la probabilité de rencontre entre l’étincelle et une zone de mélange inflammable ce
qui conduit à des ratés d’allumages et spécialement en mélanges pauvres. De plus, comme la
composition du mélange ainsi que l’aérodynamique proche du point d’allumage peuvent varier
defaçonimportanted’uncycleàl’autre,celamèneégalementàdesdifficultésd’allumagedans
cette zone. Ainsi, l’utilisation de systèmes différents reposant sur des plasmas non-thermiques
fournit des avantages significatifs, dont les propriétés de forte réactivité chimique et de faible
coûténergétique.
L’objetprincipaldecetravaildethèseestl’étudedel’allumagedemélangescombustiblesparun
certain type de décharges pulsées nanosecondes. En effet, un des intérêts du déclenchement de
combustion par décharges nanosecondes est le développement d’une zone spatiale d’allumage
nettement plus étendue que celle obtenue par l’étincelle de la bougie standard. Ainsi, il est pos-
sibled’accroîtrelesprobabilitésd’allumageetd’éviterlesratésdecombustiontoutenfavorisant
l’inflammationdemélangespauvres.Eneffet,danslecadredesnouvellesnormeseuropéennes,
il devient indispensable de pouvoir maîtriser la qualité de la combustion et de réduire ainsi les
émissions polluantes. Enfin, un autre avantage des décharges nanosecondes est la création de
nombreux radicaux dans le milieu combustible nécessaires à l’initiation directe des cinétiques
de combustion en limitant la contribution thermique, souvent impliquées dans les pertes de ren-
1