Influence du système d'injection sur les performances du moteur à combustion interne à Hydrogène

Injection system influence on H2ICE performance

• Auteur / Autrice : Alexis Tinchon
• Direction : Fabrice Foucher
• Type : Projet de thèse
• Discipline(s) : Energétique
• Date : Inscription en doctorat le 03/06/2024
• 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-....)

Mots clés

Mots clés libres

Hydrogène

Moteur à combustion interne

Injection directe

Hydrogen

Internal Combustion Engine

Direct injection

Résumé

Le moteur à combustion interne hydrogène représente une solution intéressante pour la décarbonisation du transport, aux côtés des véhicules électriques ou à pile à combustible. Cependant, bien que l'hydrogène possède de nombreux atouts tels qu'un indice d'octane élevé ou encore une grande plage d'inflammabilité, cette technologie présente de nombreux défis tels que la combustion ultra-pauvre, les combustions anormales ou encore le système d'injection. L'objectif de ce travail de thèse est d'évaluer l'impact du système d'injection sur les performances du moteur Hydrogène. Une première partie sera dédié à la compréhension du développement du jet d'hydrogène sortant de l'injecteur H2 PHINIA avant d'étudier le mélange de l‘hydrogène dans le cylindre. En effet la structure et le développement du jet ont un impact direct sur le mélange et malgré les nombreuses études effectuées, principalement en imageries Schlieren, de nombreuses questions se posent encore notamment sur le phénomène de collapse du jet ou encore les concentrations et températures au sein du jet. Le mélange est le paramètre fondamental pour l'utilisation de l'hydrogène dans un MCI. L'optimisation du mélange permet d'augmenter l'efficacité thermique du moteur mais également de réduire l'émission de NOx et les risques de combustion anormales. En effet, des poches riches en hydrogène peuvent être sources de combustions anormales qui vont réduire les performances et possiblement endommager le moteur. Différentes sources ont été identifiées, tels que les points chauds, les ondes de pressions ou encore l'huile, et vont être étudiées afin d'améliorer la compréhension de ces phénomènes. Enfin le système d'allumage sera également étudié afin de comprendre son impact sur les performances mais aussi les combustions anormales. En effet une bougie classique est actuellement utilisée dans la plupart des applications, or des points chauds et étincelles résiduelles peuvent être dangereux pour le moteur. Des mécanismes d'allumage alternatifs seront étudiés afin de mieux comprendre leurs avantages par rapport aux bougies d'allumage conventionnelles et leur utilité pour comprendre les phénomènes de pré-allumage.

Hydrogen Internal Combustion Engine (H2ICE) represents a possible solution for decarbonized mobility alongside the Battery Electric Vehicle (BEV), Fuel-Cell vehicles (FCEV) or bio-fuel vehicles. However, although hydrogen has many advantages, such as a high octane number and a wide flammability range, this technology presents many challenges, such as ultra-lean combustion, abnormal combustions and the injection system impact. The aim of this thesis is to assess the impact of the injection system on the performance of the H2ICE. A first part will be dedicated to understanding the development of the hydrogen jet leaving the PHINIA H2 injector before studying the mixing of the hydrogen in the cylinder. The structure and development of the jet have a direct impact on mixing, and despite the many studies carried out, mainly in Schlieren imaging, there are still many questions to be answered, particularly concerning the phenomenon of jet collapse or the concentrations and temperatures within the jet. Mixing is the fundamental parameter for using hydrogen in an ICE. Optimising the mixture not only increases the engine's thermal efficiency, but also reduces NOx emissions and the risk of abnormal combustion. Hydrogen-rich pockets can be a source of abnormal combustion, reducing performance and possibly damaging the engine. Various sources have been identified, such as hot spots, pressure waves and oil, and will be studied to improve our understanding of these phenomena. Finally, the ignition system will also be studied in order to understand its impact on performance and abnormal combustion. A conventional spark plug is currently used in most applications, but hot spots and residual sparks can be dangerous for the engine. Alternative ignition mechanisms will be explored to understand better their merits compared to conventional spark plugs and their usefulness to understand the pre-ignition phenomena.