Amélioration des performances des moteurs à combustion par amélioration du système d'allumage

Improving the performances of the combustion engines by improving the ignition system

• Auteur / Autrice : Dragoş-George Astanei
• Direction : Stéphane Pellerin, Eugen Hnatiuc
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique des plasmas - Génie électrique
• Date : Soutenance le 05/11/2014
• Etablissement(s) : Orléans en cotutelle avec Universitatea tehnică ''Gheorghe Asachi'' (Iaşi, Roumanie)
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Énergie, Matériaux, Sciences de la Terre et de l'Univers (Centre-Val de Loire ; 2012-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Groupe de recherches sur l'énergétique des milieux ionisés. UMR 7344 (Orléans ; 2012-....)
• Jury : Président / Présidente : Dumitru-Marcel Istrate
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Stéphane Pellerin, Eugen Hnatiuc, Dumitru-Marcel Istrate, Cristian Focsa, Radu Munteanu, Nuno Cerqueira, Flavien Valensi
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Cristian Focsa, Radu Munteanu

Mots clés

Mots clés contrôlés

Automobiles -- Allumage

Automobiles propres

Moteurs à explosion

Moteurs -- Gaz d'échappement

Mots clés libres

Moteur à allumage commandé

Emissions polluantes

Allumage par plasma

Bougie d'allumage double

GPG-SM

Mélange pauvre

Spectroscopie

Internal combustion engines

Exhaust gases pollutant

Plasma ignition systems

Double spark plug

GC-MS

Lean mixture operation

Spectroscopy

Résumé

Face aux normes actuelles et futures, de plus en plus drastiques, concernant les émissions de polluants, les constructeurs automobiles cherchent en permanence à améliorer l'efficacité des moteurs à allumage commandé. Une des solutions les plus efficaces et applicables pour diminuer la quantité de polluants émis dans les gaz d’échappement (HC, CO, NOx) et réduire la consommation de carburant, est d’utiliser un mélange très pauvre (richesse du mélange inférieure à 0,6). Toutefois, ce concept de fonctionnement est limité par les systèmes d'allumage classiques qui ne peuvent pas garantir un allumage du mélange air / combustible dans de bonnes conditions, de manière à assurer une combustion complète, rapide et reproductible.Le sujet de cette thèse consiste en l'élaboration d'un nouveau système d'allumage basé sur une bougie d’allumage double, qui peut produire deux d'étincelles quasi-simultanées, dont la longueur cumulée est plusieurs fois plus élevée que celle d’étincelles produites par une bougie d'allumage classique. Pour valider ce système d'allumage, trois différents types d'analyses ont été réalisés: une analyse des paramètres électriques des décharges, un diagnostic du plasma par spectroscopie optique d'émission, et des essais in situ du système d'allumage sur deux moteurs à combustion interne avec analyse des gaz d'échappement et détermination des performances des moteurs.Ces tests ont révélé que l'utilisation du système d’allumage à double étincelle peut assurer une meilleure stabilité dans le fonctionnement du moteur (en particulier dans les conditions d'allumage difficiles, en utilisant des mélanges très pauvres) ; des performances accrues du moteur pour une même quantité de carburant consommé ; et une diminution de la quantité d’hydrocarbures imbrûlés et de monoxyde de carbone dans les gaz d'échappement, mais avec une plus grande émission d'oxydes d'azote par rapport à un système d'allumage classique.

Faced with the current and future more and more drastic standards for pollutant emissions, the car manufacturers are permanently trying to improve the efficiency of spark ignition engines. One of the most effective applicable solutions for reducing the quantity of pollutant emissions (HC, CO, NOx) from the exhaust gases and also to reduce the fuel consumption is to operate with very lean mixture (equivalent ratio lower than 0.6). However, this operation concept is limited by the actual ignition systems that cannot assure an air/fuel mixture ignition in good conditions, in order to assure a complete, fast and repeatable combustion. The subject of this thesis consists into developing of a new ignition system based on a double spark plug, which can produce two quasi-simultaneous spark discharges with cumulated length few times higher than the sparks produced by a conventional spark plug. For ignition system validation, three different types of analysis have been considered: the analysis of the discharges electrical parameters, the plasma diagnosis using optical emission spectroscopy methods and the tests of the ignition system on two internal combustion engines with the exhaust gases analysis and engine performances determination. The tests revealed that the utilization of the double spark ignition system can assure a better stability in engine operation (especially in difficult ignition conditions such using very lean mixtures), increased engine performances for the same amount of consumed fuel and it can provide a diminution of the unburned hydrocarbons and carbon monoxide quantities from the exhaust gases, but with an increased quantity of nitrogen oxides, compared with a conventional ignition system.