Contexte de l’étude

1. D.E.A - T. E. GP.Spécialité EnergétiquePrésenté parCédric GARNIERCaractérisation de la combustion dans un moteur Dual-Fuel fonctionnant au Gaz de GazogèneResponsable scientifique: O. LE CORREDépartement Systèmes Énergétiques et EnvironnementÉcole des Mines de Nantes11 juillet 2003

2. 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)

3. 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:

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

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

6. 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

7. DELAI D’IGNITION

8. 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

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

10. Relation de Prakash et al. (SAE, 1999): • Introduction • Délai Ignition • Combustion • Emissions • Conclusion Prédiction du DI - 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

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

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

13. 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.xiles équations de droites de prédiction = ln ( DI prédit ) Soit à minimiser

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

15. MODELISATION DE LA COMBUSTION

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

17. 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

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

19. 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%

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

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

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

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

24. 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 0 (CA) -1,9.10-2 359  (CA) 1.10-2 84,7 Q (J) -0,97 248 M (-) 0 0,4

25. EMISSIONS POLLUANTES

26. 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

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

28. 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

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

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

31. CONCLUSION

32. 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)

33. FIN