Caractérisation théorique du plasma lors de l'application d'un courant impulsionnel : application à l'allumage des moteurs

Theoretical characterization of plasma during application of pulsed current profile : application to the ignition of engines

• Auteur / Autrice : Malyk Benmouffok
• Direction : Jean-Jacques Gonzalez, Pierre Freton
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Ingénierie des plasmas
• Date : Soutenance le 23/03/2016
• Etablissement(s) : Toulouse 3
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Génie électrique, électronique, télécommunications et santé : du système au nanosystème (Toulouse)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire Plasma et Conversion d'Energie (Toulouse ; 2007-....)

Mots clés

Mots clés contrôlés

Magnétohydrodynamique

Plasmas (gaz ionisés)

Automobiles -- Allumage

Mots clés libres

Plasma

Simulation MHD

Etincelle

Allumage

Conditions initiales

Plasma

MHD simulation

Spark

Ignition

Initial conditions

Résumé

Le contexte économique et écologique difficile ainsi que la réglementation en matière d'émissions de CO2 poussent les industriels de l'automobile à améliorer les moteurs à allumage commandé. L'une des voies d'amélioration envisagées est l'admission de mélanges pauvres ou fortement dilués par des gaz d'échappement (EGR) dans la chambre de combustion. La difficulté de ce type de fonctionnement est l'initiation de l'allumage. Afin de pallier ce problème, les systèmes d'allumage sont étudiés et tout particulièrement l'étincelle. Cette décharge est à l'origine de l'apparition d'un plasma et la compréhension des mécanismes impliqués dans le transfert d'énergie entre ce plasma et le gaz réactif environnant est essentielle. Ce travail s'intéresse à la modélisation de l'étincelle dans sa phase d'arc électrique afin de pouvoir prédire le comportement hydrodynamique de l'arc et la propagation de l'onde de choc. Les modèles transitoires bidimensionnels ou tridimensionnels utilisés sont basés sur le logiciel @ANSYS Fluent couplé à des fonctions utilisateurs développées au sein de l'équipe AEPPT. Ils s'appuient dans un premier temps sur la littérature afin de comprendre le comportement général de la décharge, puis sur des configurations expérimentales utilisées dans le cadre du projet ANR FAMAC. Les simulations sont dans un premier temps et en majorité réalisées dans l'air sur des configurations simplifiées de type pointe-pointe afin de valider le modèle. Ensuite, une étude est faite dans une configuration de réacteur où l'arc est généré entre les bornes d'une bougie d'allumage. Le modèle permet de démontrer le rôle de chacun des paramètres initiaux des simulations ainsi que leur impact sur l'écoulement du plasma. L'influence de la prise en compte du champ magnétique est montrée dans le cadre d'un arc impulsionnel nanoseconde. Enfin, le modèle a permis de montrer le rôle d'un écoulement laminaire latéral en direction d'une décharge de type conventionnelle générée par une bobine d'allumage Audi. L'ensemble de ces résultats pourront être le point de départ d'une étude énergétique sur les systèmes d'allumage ainsi que d'une réflexion concernant la compréhension de l'initiation de la combustion.

The economic/ecological context and the CO2 regulation by the "euro" standards lead the automotive industry to improve the spark ignited engines. A way of improvement is the admission of a lean mixture or of a diluted mixture by recirculation of exhaust gases in the combustion chamber. The main difficulty in these conditions is to start the combustion. To overcome this problem, the ignition systems are studied and more particularly the spark. This discharge leads to the apparition of plasma and the understanding of the energy transfer mechanisms between this plasma and the reactive mixture is essential. This work is focus on the modeling of a spark during its electrical arc phase in order to predict the hydrodynamic behavior of the arc and the shock wave propagation. The 2D and 3D transient models are based on ANSYS Fluent coupled with user defined functions developed by the AEPPT team. First, the simulation is based on data from literature review in order to understand the general behavior of the discharge. Then, the model uses experimental configuration developed during the ANR FAMAC project. Simulations are mainly realized in air using simplified configurations (pin-to-pin configurations) in order to valid the model. Then, a study is done in a vessel configuration using real sparkplug geometry. This model allows us to show the role of each initial parameter as well as their impact on the plasma flow. The magnetic field influence is also determined for a nanosecond arc discharge. Finally, the model is used in order to determine the role of a cross flow on a discharge generated by a conventional Audi ignition coil. All these results could be the beginning of an energetic study on ignition systems and could lead to a discussion on the understanding of initiation of the combustion process.