Auto-in ammation des jets de methane

L'objectif des experiences decrites est l'etude de l'auto-in ammation et de la combustion Diesel. Pour cela, il faut que les conditions thermodynamiques dans la cellule au moment de l'injection du methane s'approchent de celles de la chambre de combustion d'un moteur Diesel. Les gaz dans la cellule, initialement a pression atmospherique et a une temperature d'environ 473

K

(temperature des parois) doivent ^etre comprimes et chaues. La maniere de le faire est de realiser une pre-combustion qui les amenent jusqu'aux conditions souhaitees. Il faut cependant garantir que les produits de cette combustion aient des concentrations proches de celles de l'air utilise dans le moteur Diesel.

Un premelange qui contient de l'ethylene (

C

2

H

4), de l'oxygene (en exces), de l'hydrogene et de l'azote est introduit dans la cellule dans des proportions telles que la concentration des produits de combustion s'approche de celle de l'air. Le melange est homogeneise au fur et a mesure, a l'aide du ventilateur et est ensuite allume par les quatre bougies d'allumage. La temperature et la pression montent alors soudainement a cause de la combustion presque instantanee (gure 6.7).

Figure 6.7 : Evolution de la pression et de la temperature dans la cellule en fonction du temps apres l'allumage du premelange decrit dans le tableau 6.1 (melange de densite



= 25

kgm

?3). D'apres Verhoeven.

Les produits de la combustion subissent ensuite une evolution supposee isochore (volume constant) avec baisse de la temperature et de la pression. Quand ces deux grandeurs atteignent

des valeurs predenies, censees representer les conditions thermodynamiques presentes dans la chambre de combustion d'un moteur Diesel, le methane est injecte. Le temps caracteristique de la chute de la pression et de la temperature apres la pre-combustion, long par rapport au temps caracteristique du processus d'auto-in ammation du methane, garantit des conditions thermodynamiques quasi constantes pendant ce dernier mecanisme. Le tableau 6.1 presente les valeurs des pressions partielles de chacun des reactifs de la combustion premelangee ainsi que les proportions des produits de la reaction pour une densite constante de 25

kgm

?3 apres la pre-combustion. La reaction complete est du type,

a

1

C

2

H

4+

a

2

H

2+

bO

2+

g N

2

!

dCO

2+

eH

2

O

+

f O

2+

g N

2

Espece Reactif (bar) Produit (

%

vol)

C

2

H

4 0.296

-H

2 3.45

-O

2 10.0 21.00

N

2 23.16 65.84

H

2

O

- 11.48

CO

2 - 1.68

Tableau 6.1 : Pressions partielles des reactifs avant la pre-combustion et proportions volume-triques des produits de la combustion. Pour une reaction adiabatique, la pression maximale atteinte est de 118

bar

et la temperature maximale est de 1591

K

(densite de 25

kgm

?3). Dans l'air, l'oxygene et l'azote sont dans une proportion volumetrique d'environ 21%

O

2pour 79%

N

2. Le delai d'auto-in ammation est mesure a partir des signaux independants de la lumiere captee par une photo-diode et de la pression dans la chambre de combustion. La photo-diode est tres sensible et a un temps de reponse tres court. Nous pouvons ainsi caler la camera rapide par rapport au debut de l'auto-in ammation de maniere a observer la localisation des premiers points lumineux. Le fait que la camera soit peu intensiee implique que les premieres images acquises correspondent a la combustion riche et/ou a celle des suies, qui sont assez lumineuses pour pouvoir ^etre enregistrees.

Nous presentons les resultats obtenus lors de trois experiences dierentes, ou nous avons fait varier la temperature et la pression dans la chambre de combustion lors de l'injection du methane et aussi la pression d'injection.

L'evolution de la pression dans la chambre de combustion et l'evolution de l'intensite lumineuse emise par la combustion sont representees sur la gure 6.8. Les courbes de pression sont etallonnees par la valeur du signal de pression au temps

t

0 (

p

=

tension



gain

+

p

et

avec

tension

en

V

,

gain

= 20 et la pression d'etalonnage

p

et = 37

:

0

bar

). Ce temps

t

0 = 0

:

0 correspond au debut de l'alimentation electrique du solenode. Nous rappelons que l'injection demarre environ 1

:

5

ms

apres cet instant.

La comparaison entre les courbes 1 et 2 montre que la temperature a, comme prevu, un tres fort eet sur le delai d'auto-in ammation. Pour une temperature initiale des gaz dans la chambre de combustion de 950

K

, le delai d'auto-in ammation mesure par le capteur de

0.000 0.025 0.050 0.075 0.100

temps apres le debut de l’injection (s) 72.3 72.8 73.3 73.8 74.3 pression (bar)

Signal de pression dans la chambre de combustion

D_inj=0.25mm, P_inj=160 bar, T_ch=950K, P_ch=73bar

0.000 0.025 0.050 0.075 0.100 78.0 79.0 80.0 81.0 82.0 83.0 pression (bar)

Signal de pression dans la chambre de combustion

D_inj=0.25mm, P_inj=160 bar, T_ch=1200K, P_ch=90bar D_inj=0.25mm, P_inj=110 bar, T_ch=1200K, P_ch=90bar

0.000 0.025 0.050 0.075 0.100 0.0 2.0 4.0 6.0 8.0 tension (V)

Visualisation de la combustion: photo−diode

Figure 6.8 : Auto-in ammation et etablissement de la amme de diusion. Intensite lumineuse emise par la combustion (mesures avec la photo-diode) et pression dans la chambre de combustion pour dierentes temperatures initiales et pressions d'injection dierentes.

pression et par la photo-diode est environ quatre fois plus grand que pour une temperature initiale de 1200

K

.

Il est aussi interessant de noter que pour des temperatures elevees, les signaux de pression et de lumiere captee par la photo-diode indiquent environ le m^eme delai d'auto-allumage. Au contraire, a basse temperature ces signaux ne donnent pas la m^eme information. Cette dierence entre le delai mesure par la photo-diode et par le capteur de pression a toujours ete observee pour les experiences realisees a des temperatures inferieures a 1000

K

. Ceci semble montrer qu'a basse temperature, le carburant a beaucoup de temps pour se melanger avec l'oxydant et que lorsque l'auto-in ammation a lieu, une grande partie du carburant est consomme par une amme de premelange. Cette amme est tres energetique et fait monter la pression. Mais comme il s'agit d'une amme de premelange, elle n'est pas assez lumineuse pour pouvoir ^etre detectee par la photo-diode (son intensite lumineuse est beaucoup plus faible que celle de la amme de diusion qui se forme par la suite). Quand la temperature de la chambre de combustion au moment de l'injection descend a 900

K

, l'auto-allumage devient tres irregulier. Il y a souvent des rates et le temps laisse aux reactifs pour se melanger est tellement long que tout le carburant se melange avec l'air. La seule amme observee (a l'oeil) est une amme bleue. Il n'y a apparemment pas de amme de diusion. En tout cas, ces conditions sont tres loin de ce que l'on peut chercher dans un moteur et n'ont donc pas d'inter^et pratique. Cependant, elles aident a la comprehension des mecanismes de la combustion Diesel.

En ce qui concerne l'in uence de la pression d'injection pour les m^emes conditions de pression et de temperature dans la chambre (courbes 1 et 3), une petite dierence entre les delais d'auto-in ammation mesures est observee. Comme la masse injectee est inferieure quand la pression decro^t (par eet de la diminution de la densite), il est possible que la quantite de melange qui s'allume dans le cas de la pression d'injection la plus faible ne soit pas susante pour que la montee en pression et la lumiere emise puissent ^etre comparables a celles mesurees avec une pression plus importante. Il est aussi probable que la vitesse et la forme de l'ecoulement dans le nez de l'injecteur changent susamment pour que le melange se fasse de maniere dierente dans les deux cas.

Les gures 6.9 et 6.10 montrent les images d'auto-in ammation et d'etablissement des ammes de diusion correspondant aux congurations ou la pression d'injection change. La disposition et la sequence des images sont les m^emes que celles decrites pour la gure 6.6. L'injecteur est visible en haut et au centre de chaque image. Les couleurs des images de la amme ont ete inversees ( ammes representees par des t^aches noires). La camera est declenchee des que la photo-diode capte les premieres emissions de lumiere.

A une temperature initiale de 1200

K

dans la chambre de combustion, l'auto-in ammation a lieu sur la peripherie du jet, entre l'injecteur et le bout. La amme se propage alors rapidement vers l'amont et l'aval de l'ecoulement. Des comparaisons directes entre les contours du jet et les sites d'auto-in ammation ne peuvent pas ^etre eectuees, car les delais d'auto-in ammation sont assez tardifs dans le processus d'injection. Comme il a ete vu auparavant, les contours des jets sont moins identiables a ces instants. La gure 6.10 donne la fausse impression que la amme de diusion est decalee lateralement par rapport a l'injecteur (images 11 a 16 de cette gure). Comme les images de la amme et les images de reference utilisees pour localiser l'injecteur ne sont pas prises aux m^emes instants, il se peut qu'elles ne correspondent pas exactement les unes par rapport aux autres.

Figure 6.9 : Auto-in ammation du jet de methane.

D

inj = 0

:

25

mm

,

p

inj = 160

bar

,

T

ch= 1200

K

. La premiere image est prise 10

:

4

ms

apres le debut de l'activation du solenode.

Figure 6.10 : Auto-in ammation du jet de methane.

D

inj = 0

:

25

mm

,

p

inj = 110

bar

,

Dans le document Modélisation de l'auto-inflammation et de la combustion pour les moteurs Diesel (Page 164-169)