Contribution à la compréhension des combustions anormales dans les moteurs à allumage commandé : caractérisation et analyse phénoménologique du pré allumage à forte charge

Contribution the understanding of abnormal combustions in spark ignition engines : characterization and phenomenological analysis of pre-ignition at high load

• Auteur / Autrice : Jean-Marc Zaccardi
• Direction : Dany Escudié
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Thermique, énergétique
• Date : Soutenance le 09/03/2012
• Etablissement(s) : Lyon, INSA
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Mécanique, Energétique, Génie Civil, Acoustique (Villeurbanne ; 2011-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : CETHIL - Centre d'Energétique et de Thermique de Lyon (Villeurbanne, Rhône)
• Jury : Président / Présidente : Philippe Guibert
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Dany Escudié, Philippe Guibert, Michel Trinité, Philippe Versaevel, Cédric Galizzi, Benoist Thirouard
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Philippe Guibert, Michel Trinité

Mots clés

Mots clés contrôlés

Automobiles -- Moteurs -- Combustion

Moteurs thermiques

Mots clés libres

Mécanique appliquée

Moteur à combustion interne

Moteur à allumage commandé

Combustion anormale

Pré-allumage

Couple moteur

Auto-inflammation

Forte charge

Modélisation de comportement

Pre-ignition

Spark ignition engine

Abnormal combustion

Auto-ignition

Résumé

L'augmentation continue des charges de fonctionnement des moteurs à allumage commandé a conduit à l'apparition d'une nouvelle forme de combustion anormale à bas régime sous la forme d'un pré allumage. Dans des conditions de pression et de température extrêmes, une auto-inflammation incontrôlée du mélange carburé peut en effet se produire avant l'allumage normal à la bougie et conduire à une seconde auto-inflammation de type cliquetis donnant naissance à des oscillations de pression inacceptables même pour les moteurs les plus robustes. Cette anomalie constitue donc une véritable limite au downsizing des moteurs et à l'augmentation de leurs performances spécifiques. Cette dernière forme de combustion anormale est bien plus critique que le cliquetis car son apparition est aléatoire, le plus souvent sporadique et généralement très violente. Ces caractéristiques fondamentales expliquent que de nouveaux outils et de nouvelles méthodologies d'analyse aient dû être développés pour mieux caractériser le processus d'auto-inflammation dans ces conditions extrêmes. Des méthodes statistiques avancées ont notamment été mises au point pour quantifier de manière fiable la fréquence d'apparition du pré allumage malgré son caractère aléatoire. En parallèle, un travail expérimental important a été réalisé pour mettre au point une méthodologie de réalisation de visualisations endoscopiques permettant de mieux analyser le processus de combustion, et d'identifier de manière plus précise les zones préférentielles d'apparition du pré allumage dans la chambre de combustion. Les impacts des paramètres fondamentaux régissant l'auto-inflammation (aérodynamique interne, thermique et chimie du mélange) ont d'abord été analysés sur un monocylindre de recherche. Le processus de combustion a ainsi été détaillé et l'hypothèse d'une auto-inflammation spontanée en phase gazeuse a également pu être abordée en parallèle de l'analyse expérimentale par une approche numérique RANS. Une étude plus approfondie a ensuite montré qu'il était possible qu'un pré allumage conduise à une auto-inflammation de type détonation, ce qui explique qu'un nombre réduit d'occurrences suffise à détériorer irrémédiablement le moteur. La versatilité du monocylindre a également permis de mettre en évidence la diversité des phénomènes qui pouvaient conduire au pré allumage et d'autres hypothèses que celle d'une auto-inflammation spontanée en phase gazeuse ont ainsi pu être formulées. Celles-ci ont finalement été testées sur un multicylindre en appliquant des méthodologies d'essais et d'analyse éprouvées sur monocylindre. Les investigations tournées vers l'impact des réglages moteur ont alors notamment confirmé que les impacts du carburant sur les parois de la chambre de combustion conduisaient à la formation de films liquides dont les caractéristiques locales pouvaient être favorables à une auto-inflammation.

The continuous increase of engine loads on SI engines has provoked the apparition of a new form of abnormal combustion at low engine speed in the guise of a pre-ignition. Under extreme conditions of pressure and temperature, an uncontrolled auto-ignition of the fresh mixture can happen well before the normal ignition at the spark and lead to a knocking-like second auto-ignition and to unacceptable pressure oscillations even for modern and robust engines. This anomaly constitutes thus a strong limit to the downsizing of gasoline engines and to the increase of their specific performance. This latter abnormal combustion is far more critical than knocking combustion since its apparition is random, most often sporadic and usually very violent. These fundamental characteristics explain that new tools and methodologies had to be developed to achieve a better characterization of the auto-ignition process under such extreme conditions. Advanced statistical methods have notably been defined to obtain a reliable quantification of the pre-ignition frequency despite its randomness. A significant work has simultaneously been realized to develop an experimental methodology dedicated to endoscopic visualizations allowing a better analysis of the combustion process and a more precise identification of the preferential areas of auto-ignition inside the combustion chamber. The impacts of fundamental parameters governing auto-ignition (the mixture's charge motion, thermal and chemical evolutions) have first been analyzed thanks to a research single cylinder engine. That way, the combustion process has been detailed and the hypothesis of a spontaneous auto-ignition of the gaseous mixture has also been tackled at the same time with the help of a numerical RANS approach. Then, a deeper analysis has showed that pre-ignition could lead to a developing detonation mode during the second auto-ignition, explaining so that a reduced number of events could cause irremediable damages. Thanks to the flexibility of the single cylinder engine, it has also been shown that a wide variety of phenomena could lead to pre-ignition and it has made possible the formulation of other hypotheses than a spontaneous auto-ignition of the gaseous mixture. These ones have finally been tested on a serial multi-cylinder engine with test and analysis methodologies validated on the single cylinder engine. The investigations focused on the impacts of settings have then confirmed that the fuel impacts on the liner and on the piston lead to the formation of liquid films whose local characteristics could be favorable to auto-ignition.