Étude d'un réformateur de gazole assisté par plasma dédié au post-traitement des NOx émis par un moteur Diesel

Study of a plasma assisted Diesel fuel reformer for the NOx aftertreatment of a diesel engine

• Auteur / Autrice : Alexandre Lebouvier
• Direction : Laurent Fulcheri, François Cauneau
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Énergétique
• Date : Soutenance en 2011
• Etablissement(s) : Paris, ENMP

Mots clés

Mots clés contrôlés

Gaz -- Écoulement

Magnétohydrodynamique

Moteurs diesel -- Gaz d'échappement

Dynamique des fluides

Résumé

En réponse aux contraintes sur l'émission des NOx de la future norme Euro 6 pour les moteurs Diesel, les constructeurs automobiles envisagent l'utilisation d'un piège à NOx. Lors de la phase de purge à NOx, des espèces réductrices (H2, CO, HC) sont apportées au contact du piège à NOx et vont permettre de réduire les NOx stockés en N2. Cet apport d'espèces sont apportées au contact du piège à NOₓ et vont permettre de réduire les NOₓ stockés en N2. Cet apport d'espèces réductrices peut être réalisé par contrôle moteur ou par un procédé de reformatage. Le reformatage plasma offre une alternative au reformatage catalytique traditionnel pour la production de gaz de synthèse. Cette thèse s'inscrit dans le cadre de recherches menées au Centre Energétique et Procédés depuis une vingtaine d'années sur la conversion d'hydrocarbures par voie plasma. Le premier objectif de ces travaux de thèse a été de montrer expérimentalement la faisabilité et la viabilité à bord d'un véhicule du reformatage assisté par plasma du gazole par les gaz d'échappement. Le banc expérimental, développé pour l'étude de l'alimentation de piles à combustible, a été adapté afin de répondre à cette nouvelle application. Il a permis de démontrer, sur deux points de fontionnement moteur, que les performances taient sensibles au taux d'oxygène présent dans les gaz d'échappement. La purge du NOₓ trap peut être estimée à 12 s à faible charge. Le second objectif a été de mettre en place des modèles numériques afin de comprendre les phénomènes physico-chimiques intervenant dans le plasma. Trois modèles ont ainsi été développés. Un premier modèle 3D MHD a permis d'acquérir un certain nombre de résultats difficilement mesurables expérimentalement sur les propriétés intrinsèques de la torche à faible courant. Ce modèle a ensuite été compléxifié avec notamment l'injection vortex des gaz et la mise en place d'un modèle de reclaquage. Un modèle 1 D cinétique, utilisant un schéma détaillé représentatif du gazole, a permis d'obtenir les tendances des différents paramètres et de les comparer avec les résultats expérimentaux. Enfin, un troisième modèle 2 D asymétrique a été mis en place pour étudier l'interaction entre le plasma, considéré comme un terme source de chaleur, et la cinétique chimique.

To meet the future Euro 6 regulation for NOₓ emission from diesel engines, car manufacturers are considering the use od a NOₓ trap catalyst. During the regeneration phase, reducing species (H2, CO, HC) are brought to the stored NOₓ trap which will convert the NOₓ into N2. This injection of reductants can be achieved by engine control or by a reforming process. The plasma reformer offers an aletrnative to traditional reforming catalysts to produce syngas. This thesis is part of researches investigated at the Center for Energy and Processes for twenty years on the plasma-assisted hydrocarbon conversion. The first goal of this thesis was to show experimentally the feasibility and viability of plasma-assisted exhaust gas fuel reforming of diesel fuel for onboard application. The experimental bench, designed for the H2 fuel cell feeding, has been adapted to meet this new application. It has been demonstrated, on two engine operation points, that performances were sensitive to the available oxygen rate in exhaust gases. The NOₓ trap regeneration can be estimated to 12 s at low load. The second goal was to develop numerical models to understand the coupled physical and chamical phenomena occuring with the plasma. Three models have been developped. A first 3 D MHD model gave intereting results hardly experimentally measurable about the intrinsic properties of the low-current arc. A more complex model including the vortex injection of gases and the restrike mode has been implemented. A 1D multistage kinetic model, using a detail kinetic mechanism of a diesel fuel surrogate molecule, has resulted in acquiring the trends of different parameters which have been then compared with experimental results. Finally, a 2 D asisymmetric model was developped to study the interaction between the plasma, considered as a heat source, and chemical Kinetics.