Analyse expérimentale de stratégies d’allumage cyclique appliquées à la combustion à volume constant sans piston pour la propulsion aéronautique

Experimental Analysis of Cyclic Ignition Strategies for Pistonless Constant-Volume Combustion

• Auteur / Autrice : Choomanee Runnoo
• Direction : Marc Bellenoue, Bastien Boust, Quentin Michalski
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Energétique, thermique, combustion
• Date : Soutenance le 08/04/2026
• Etablissement(s) : Chasseneuil-du-Poitou, Ecole nationale supérieure de mécanique et d'aérotechnique
• Ecole(s) doctorale(s) : Ecole doctorale Sciences et ingénierie des matériaux, mécanique, énergétique (Poitiers ; 2018-2022)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut Pprime / PPRIME
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Guillaume Vanhove, Antonio Andreini
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Razi Nalim, Philippe Guibert
• DOI : 10.70675/d6c1f8c6z7d18z4fd3zb3ebz4b4d85fc66e3

Mots clés

Mots clés contrôlés

Chambres de combustion

Chimiluminescence

Heptane

Moteurs -- Injection du carburant

Moteurs-fusées

Combustion

Turbomachines

Turbulence

Vélocimétrie par images de particules

Mots clés libres

Combustion à volume constant

Combustion à gain de pression

Auto-allumage contrôlé

Chambre de combustion sans piston

Constant volume combustion

Pressure gain combustion

Self-ignition

Pistonless combustor

Résumé

La croissance continue du transport aérien a fortement accru sa contribution aux émissions mondiales de CO₂, soulignant la nécessité de ruptures technologiques dans les systèmes de combustion. La combustion à gain de pression (PGC) qui génère une élévation de pression lors du dégagement de chaleur, améliorant alors le rendement thermodynamique par rapport au cycle de Brayton conventionnel, constitue une voie prometteuse. Parmi les concepts de PGC, la combustion à volume constant (CVC), largement utilisée dans les moteurs à pistons, est appliquée ici à un concept de moteur sans piston. L’objectif est de préserver les avantages thermodynamiques tout en réduisant la complexité mécanique et en facilitant son intégration pour la propulsion aéronautique. L’étude est menée sur le dispositif CV2 fonctionnant en mode cyclique. Un cycle de référence à allumage commandé a d’abord été caractérisé à l’aide de mesures de pression, de vélocimétrie par images de particules (PIV) et de chimiluminescence à haute vitesse. Un modèle 0D/1D a permis d’estimer la fraction de gaz brûlés résiduels et les pertes thermiques, paramètres difficilement mesurables expérimentalement. L’auto-allumage contrôlé représentative d’un configuration multi-chambre a été étudiée à l’aide du montage mono-chambre en reproduisant les conditions thermodynamiques d’un allumage par transfert de gaz brûlés. Il s’est avéré stable en régime turbulent malgré des fluctuations de vitesse d’environ 10 m/s. L’augmentation de la contre-pression à l’échappement a fortement amélioré la probabilité d’obtention de ce type d’allumage. L’optimisation des cycles à allumage commandé a permis d’accroître la fréquence des cycles de 8 Hz à 12,5 Hz, améliorant notablement le rendement thermique. Une réduction supplémentaire de la phase de refroidissement en mode auto-allumage devrait porter la fréquence à 15,4 Hz, soit un gain potentiel de puissance de 23 % et une diminution estimée de 11,4 % des pertes thermiques.

The continuous growth of air transport has significantly increased its contribution to global CO₂ emissions, highlighting the need for a technological breakthrough in combustion systems. Pressure Gain Combustion (PGC) offers a promising pathway by producing a pressure rise during heat release, thus enhancing thermodynamic efficiency compared with the conventional Brayton cycle. Among PGC concepts, Constant Volume Combustion (CVC), widely exploited in piston engines, is investigated in a pistonless engine concept, aiming to preserve its thermodynamic advantages while reducing mechanical complexity and improving compatibility with aircraft propulsion systems.Experiments were conducted on the CV2 laboratory-scale combustion vessel operating in cyclic mode. A reference spark-ignition mode was first characterized through pressure measurements, Particle Image Velocimetry (PIV) and high-speed chemiluminescence imaging. An in-house 0D/1D model was adapted to estimate the residual gas fraction and heat losses, providing complementary thermodynamic insight. Subsequently, controlled self-ignition was explored under single-chamber conditions reproducing the thermodynamic environment of ignition by burned-gas transfer in a multi-chamber configuration. Compared to spark-ignition, this controlled self-ignition strategy was shown to be viable under turbulent conditions with velocity fluctuations around 10 m/s. Increasing exhaust backpressure significantly enhanced self-ignition probability. Optimization of cycles allows frequency increase from 8 Hz to 12.5 Hz in spark-ignited cycles, enhancing thermal efficiency. Further shortening the cooling phase during the self-ignited cycle could enable operation up to 15.4 Hz, corresponding to a potential 23% increase in power and an estimated 11.4% reduction in heat losses.