Étude expérimentale des flammes turbulentes à prémélange dans des conditions d'un moteur à allumage commandé actuel

Experimental investigation of turbulent premixed flames under modern Spark-Ignition engine-like conditions

• Auteur / Autrice : Marco Di Lorenzo
• Direction : Fabrice Foucher, Christine Mounaïm-Rousselle
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Energétique
• Date : Soutenance le 19/12/2019
• Etablissement(s) : Orléans
• 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 : Laboratoire Pluridisciplinaire de recherche en ingénierie des systèmes, mécanique et énergétique (Orléans ; 2008-....)
• Jury : Président / Présidente : Epaminondas Mastorakos
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Pierre Brequigny, Olivier Colin
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Bénédicte Cuenot, Bruno Renou

Mots clés

Mots clés contrôlés

Modèles mathématiques

Turbulence

Combustion

Flamme

Innovation

Moteurs à explosion

Environnement

Moteurs à combustion interne

Énergie

Mots clés libres

Flammes turbulentes

Flammes laminaires

Combustion fortement diluée

Moteurs à allumage commandé

Nombre de Karlovitz

Turbulent Flames

Laminar Flames

Highly diluted combustion

Spark-Ignition engines

Karlovitz number

Résumé

Parmi les solutions technologiques proposées pour réduire les polluants atmosphériques et les émissions de gaz à effet de serre, le mode de fonctionnement dit " downsizing " des moteurs à combustion interne est considéré comme l'un des plus prometteurs. En augmentant la pression de l'air d'admission, ce mode de fonctionnement permet d'atteindre un meilleur rendement et donc de réduire les émissions polluantes. Mais prédire le processus de combustion dans ces conditions draconiennes (haute pression, température élevée et taux de dilution élevé) reste difficile car les modèles classiques de combustion turbulente de prémélange ne sont pas adaptés. Par conséquent, il est encore nécessaire de fournir des données expérimentales afin de développer et d'améliorer des modèles prédictifs adéquats pour ce procédé de combustion de prémélange turbulente non habituelle. Pour cela, la première étape a été le choix d'un carburant-modèle simple pour représenter une essence commerciale. Le TRF-E a été choisi et validé en caractérisant ses propriétés intrinsèques fondamentales, en les comparant à celles de l'essence commerciale et en créant une base de données solide de vitesses de flamme laminaires de prémélange air/TRF-E pour une large gamme de conditions thermodynamiques. Ensuite, l'étude des flammes turbulentes de pémélange air/TRF-E a été réalisée grâce à deux montages expérimentaux complémentaires notamment dans une zone du digramme Peters-Borghi, caractérisée par des nombres de Karlovitz et Reynolds élevés où l'effet de dilution ou de haute pression est encore mal identifié. Les conditions de flammes avec ces nombres adimensionnels similaires sont supposées être encore dans le régime de combustion des flammelettes plissées. Au cours de ce travail expérimental, il a été souligné que générer des conditions de Ka ou de Re élevé avec des flammes en expansion à des taux de dilution élevés et une longueur et une pression intégrale de type moteur entraîne une transition vers un autre régime de combustion. En conclusion, des études expérimentales complémentaires sont encore nécessaires pour explorer les limites de ces régimes de combustion et l'adaptation des modèles actuels de flammelettes dans ces conditions limites constitue une priorité.

Among the technological solutions proposed to reduce air pollutants and greenhouse gases emissions, the so-called “downsizing” operating mode for Internal Combustion Engines is considered one of the most promising. By boosting the intake air pressure, this operating mode allows reaching higher efficiency and, thus, reducing the pollutant emissions. But to predict the combustion process in these drastic conditions (High pressure, high temperature and high dilution rate) remains challenging as the classical turbulent premixed models can be put in default. Therefore, to provide experimental data in order to develop and improve adequate predictive models for this unusual turbulent premixed combustion process is still needed. For that, as preliminary step, the choice of a surrogate for commercial gasoline has to be validated. ATRF-E was chosen and validated by characterizing its fundamental intrinsic properties, comparing them to those of the commercial gasoline and doing a solid database of laminar premixed air/TRF-E flame speed under a wide range of thermodynamic conditions. Then, the investigation of turbulent premixed air/TRF-E flames was done thanks to two complementary experimental setups especially in a zone of the well-known Peters-Borghi diagram, characterized by high Karlovitz and Reynolds numbers in which the effect of dilution or high pressure is not well identified. Flames sharing similar dimensionless numbers are assumed to be still in the corrugated flamelet combustion regime. During this experimental work, it was highlighted that reaching high Ka, or high Re with expanding flames at high dilution rates and engine-like integral length and pressure causes a transition to another combustion regime. As conclusion, complementary experimental studies are still needed to explore the limitation of these combustion regimes and the adaptation of current flamelets models in these limit conditions represents a priority.