Etude du déclenchement de combustion de mélanges air-propane et air-heptane par décharge mono-impulsionnelle nanoseconde

Study of air-propane and air-heptane mixtures ignition by a single nanosecond pulsed discharge

• Auteur / Autrice : Sabrina Bentaleb
• Direction : Pierre Tardiveau
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique des plasmas
• Date : Soutenance le 06/07/2012
• Etablissement(s) : Paris 11
• Ecole(s) doctorale(s) : Ecole doctorale Ondes et Matière (Orsay, Essonne ; 1998-2015)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire de physique des gaz et des plasmas (Orsay, Essonne ; 1965-....) - Laboratoire de physique des gaz et des plasmas
• Jury : Président / Présidente : Tiberiu Minea
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Pierre Tardiveau, Tiberiu Minea, Frédéric Grisch, Jean-Marc Bauchire, Khaled Hassouni, André Agneray, Nicole Simiand
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Frédéric Grisch, Jean-Marc Bauchire

Mots clés

Mots clés contrôlés

Plasmas hors d'équilibre

Automobiles -- Allumage

Moteurs à combustion interne -- Combustion

Mots clés libres

Décharge nanoseconde

Filamentation

Allumage

Propane

Heptane

Noyau de flamme

Délai de combustion

Nanosecond discharge

Filamentation

Ignition

Propane

Heptane

Flame kernel

Combustion delay

Résumé

De nombreuses études sont menées pour la compréhension et l'utilisation de plasmas hors équilibre pour les procédés industriels capables d'améliorer la combustion, de stabiliser des flammes et de réduire les polluants. En effet, dans le cadre des nouvelles normes européennes, il devient indispensable de pouvoir maîtriser la qualité de la combustion et de réduire ainsi les émissions polluantes. Même si le principe de l'allumage classique par étincelle est depuis longtemps connu et utilisé dans l’industrie automobile, ce système présente néanmoins quelques limites. En effet, le caractère localisé de l’étincelle créée 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. 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 coût énergétique. L’objet principal de ce travail de thèse est l’étude de l’allumage de mélanges combustibles par un 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. 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 rendement des allumeurs. Dans notre étude, la décharge nanoseconde pulsée utilisée est caractérisée par l’application d’une surtension très élevée donnant un pulse de tension très court (12 ns), d’amplitude très élevée (50 kV) et un front de montée très raide (2 ns). Au cours de cette étude, nous avons d’abord caractérisé la décharge nanoseconde pulsée dans des mélanges air/propane et air/heptane à pression atmosphérique. Ensuite, nous avons appliqué la décharge au déclenchement de combustion dans les mélanges air/propane et air/heptane dans les proportions stœchiométriques mais aussi en mélanges pauvres et ce toujours à pression atmosphérique, ce qui a montré la réduction des délais de combustion. De plus, les résultats en mélanges stœchiométriques montrent qu’il existe trois modes d’allumage : un ponctuel, un double et un mode cylindrique et ce en fonction de la densité d’énergie.

One growing topic of interest in the field of non-thermal plasmas is the use of pulsed corona discharges for ignition purposes and more specifically the use of discharges generated under very strong overvoltages for car atmospheric engine applications. Because of strong environmental constraints on car exhaust gases, engines to be developed in the future have to run with lean air / gasoline mixtures or diluted with burnt gases. In both cases, it needs the optimization of ignition devices since classical spark gaps become inefficient in these conditions. In this context, the generation of non-equilibrium plasmas on large volumes, with high densities of active species, and the ability to induce fast gas heating is challenging. Our experimental work is dedicated to the understanding of physical mechanisms involved in the ignition of lean mixtures of air and hydrocarbons such as propane and n-heptane, at high pressure, using nanosecond range discharges. Such kind of discharges could improve the energy release in the mixtures, promoting the creation of radicals and excited species instead of direct heat through Joule effect, and thus, it could improve the ignition efficiency. A positive high voltage (50 kV) is applied between a pin electrode and a grounded plane over a short nanosecond range pulse (12 ns) with a steep rise time (2 ns). In this study, the discharge has been characterised in air/propane and air-heptane mixtures. The diffuse regime observed in pure air tends to disappear in mixtures containing few percents of propane or heptane. The experimental results show the ability of the single nanosecond pulsed discharge to ignite air-propane and air-heptane mixtures even at low equivalence ratios. It is strongly correlated to the energy density the discharge is able to release into the gas. Finally, it has been shown that for stoechiometric mixtures show that three different modes of ignition are possible, i.e. a single point, a double point or a cylindrical mode, according to the energy density. Combustion delays are strongly reduced and complete combustion of very lean mixtures can be achieved if the amount of energy is slightly increased.