Diagnostic des plasmas de combustion par sonde d'ionisation : application à l'étude de l'interaction flamme-paroi instationnaire

par Maxime Karrer

Thèse de doctorat en Energétique, thermique, combustion

Sous la direction de Marc Bellenoue et de Julien Sotton.


  • Résumé

    Les sondes d'ionisation sont utilisées depuis longtemps pour réaliser des diagnostics dans les plasmas. Les recherches pour appliquer cette technologie dans le domaine de la combustion sont motivées par le fait que la flamme génère des espèces chargées et se comporte donc comme un plasma faiblement ionisé. Différentes applications de cette technique ont été étudiées au cours de ces dernières années. Ces études ont montré que le courant d'ionisation dépend de nombreux paramètres liés à la combustion (richesse, pression, température…) mais le manque d'outils théoriques rend l'interprétation des résultats complexe et limite pour l'instant l'utilisation de la technique, particulièrement sur les moteurs à combustion interne. L'objectif de cette thèse est de proposer des outils théoriques simples permettant de mieux comprendre les phénomènes d'interaction flamme-sonde et de démontrer le potentiel de ce diagnostic en particulier pour l'étude de l'interaction flamme-paroi. Pour les motoristes l'enjeu des technologies futures sera de proposer une motorisation ayant de faibles émissions polluantes tout en conservant un coût de conception et de réalisation compétitif. La diminution des niveaux d'émission de CO2 et de polluants devra donc passer par des technologies innovantes sans toutefois avoir recours à des post-traitements trop complexes et donc couteux. L'une des caractéristiques de la combustion dans un moteur à allumage commandé est que la flamme atteint par endroit la paroi alors que seulement 30% de la charge a été consommés. Ainsi une grande partie du combustible brûle en proche parois. La présence de cette forte proportion de combustible au niveau de la paroi s'explique par le fait que la charge fraîche se trouvant devant la flamme de prémélange est comprimée sous l’action combinée du mouvement du piston et de la détente de gaz brûlés situés derrière le front de flamme, l'essentiel de la charge se trouvant alors concentrée prés des bords de la chambre. Ainsi pour le développement et l'amélioration du fonctionnement des moteurs à allumage commandé, il est indispensable de s'intéresser aux mécanismes de l'interaction flamme-paroi. Les techniques de diagnostic qui sont utilisées aujourd’hui pour mesurer les paramètres caractéristiques de l'interaction flamme-paroi ne fonctionnent pas dans certaines conditions de pressions et de température. Les échelles spatiale et temporelle du phénomène diminuent en effet fortement sous l'effet d'une augmentation de la pression. Ainsi les techniques optiques sont limitées par leur résolution spatiale. Les travaux proposés dans cette thèse montrent que les sondes d’ionisation permettent de mesurer les paramètres qui caractérisent l'interaction flamme-paroi et notamment pour des conditions de pression et de température supérieures à celles des autres méthodes. Le développement de modèles théoriques simples ont permis de mesurer différents paramètres comme la distance de coincement de la flamme, la vitesse de flamme ou bien encore la température, à partir de l'analyse du courant d'ionisation. Ces mesures ont été réalisées pour différentes géométries d'interaction flamme-paroi et différents type de mélanges. Des mesures combinées par diagnostics optiques (PIV, LIF, visualisation directe) et par mesure du flux de chaleur pariétal ont permis de valider l'ensemble des résultats obtenus sur différentes gammes de pression. Le diagnostic par sonde d'ionisation permet donc de mesurer avec une bonne résolution spatio-temporelle les paramètres de l'interaction flamme-paroi. L'amélioration du diagnostic passe notamment par une augmentation de la fréquence d’excitation de la sonde (Radio-fréquence). Cependant les essais réalisés ont mis en évidence que les mécanismes de conduction de la flamme changent sous l'influence de nombreux paramètres comme la densité du gaz ou la fréquence d'excitation. Les résultats obtenus sur la polarisation de la flamme montrent notamment une augmentation de la chute de potentiel anodique sous l'effet de la pression. Les propriétés électriques de la flamme à haute pression ont donc été étudiées expérimentalement et théoriquement. La modélisation de la cinétique chimique de la flamme à haute pression a permis de mettre en évidence la diminution de la concentration d'électrons dans le front de flamme. Par ailleurs les mécanismes d'attachement et de détachement électroniques qui ont lieu dans la zone de coincement ont un impact fort sur les mécanismes de polarisation de la flamme. Il est donc nécessaire de tenir compte des effets de densité du gaz dans les modèles de courant d'ionisation à haute pression. L'amélioration des techniques de mesures du courant d'ionisation proposées dans cette thèse passe donc à l'avenir par une étude approfondie des propriétés électriques de jonctions.

  • Titre traduit

    Ionization probe diagnostics for the study of flame quenching


  • Résumé

    The main technological issue for engineers is to put forward a low emission motorization whilst keeping competitive conception and realisation costs. Internal combustion engines are characterized by the fact that the flame reaches the walls in places while only 30% of fresh gazes were burned. Therefore, a big amount of the fuel burns in vicinity of wall. This is why it is essential to study flame-wall interaction mechanisms in order to develop and improve internal combustion engines’ efficiency. This Ph. D thesis demonstrates that ionization probes can be used to measure flame-wall interaction parameters and in particular, for high pressure and high temperature conditions. Simple theoretical models were developed in order to measure different parameters from ion current analysis, such as the quenching distance, flame velocity, flame temperature. These measurements were performed for head-on and sidewall quenching and different mixtures. The results obtained were validated by using advanced LASER diagnostics (PIV, LIF) and wall heat flux gauge measurements for all pressure ranges. At last, the electrical conductivity of the flame front was theoretically and experimentally studied at high pressure.

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Informations

  • Détails : 1 vol. (324 p.)
  • Annexes : Bibliogr.135 réf.

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