Etude de la combustion de mélanges pauvres sur la base de biocarburant. Application par auto-allumage contrôlé par injection de particules de biomasse

Study of the combustion of lean mixtures on the basis of biofuel and controlling auto-ignition by injection of biomass particles

• Auteur / Autrice : Mira Ibrahim
• Direction : Philippe Guibert
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Mécanique énergétique
• Date : Soutenance le 08/12/2020
• Etablissement(s) : Sorbonne université
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences mécaniques, acoustique, électronique et robotique de Paris
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut Jean Le Rond d'Alembert (Paris ; 2006-....)
• Jury : Président / Présidente : Patrick Da Costa
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Céline Morin, Khanh-Hung Tran
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Pascal Higelin, Marc Bellenoue

Mots clés

Mots clés contrôlés

Biocarburants

Biomasse -- Combustion

Moteurs -- Injection du carburant

Moteurs à combustion interne

Mots clés libres

HCCI

Contrôle d’allumage

Combustion diphasique gaz/solide

Biomasse

Système d’injection de particules

Émissions polluantes

Machine à compression rapide

Chemkin-Pro

HCCI

Ignition control

Diphasic combustion gas/solid

Biomass

Particle injection

Pollutant emissions

Rapid compression machine

Chemkin-Pro

Lean homogeneous combustion

Résumé

La combinaison d'une technologie alternative comme l'allumage par compression de la charge (HCCI) avec une énergie renouvelable comme la biomasse est un bon compromis pour réduire les émissions polluantes à la source. L'un des problèmes majeurs de cette combustion est le contrôle du moment de l’allumage ; l'injection directe de particules solides en suspension dans le mélange réactif permet de contrôler le début de la combustion. Dans la première partie de ce travail, la combustion de la biomasse gazeuse a été étudiée expérimentalement sur une machine à compression rapide dans des conditions HCCI. En raison de la complexité de ce mode de combustion, une approche simplifiée du processus a été simulée numériquement sur Chemkin-Pro pour étudier les effets des conditions initiales et de la composition du combustible sur les aspects physico-chimiques de la combustion ainsi que sur les émissions produites. Après avoir mis en évidence les avantages de la combustion pauvre, et d’un combustible type (biogaz/gaz de synthèse) dans la réduction les émissions polluantes, une base de données a été constituée pour sélectionner une gamme optimisée de conditions pour des émissions minimales et une réactivité spécifique. La deuxième partie de ce travail a été consacrée au contrôle du moment de l'allumage. Un injecteur de particules a été conçu pour injecter directement la poudre de biomasse dans le mélange réactif. Ce système a été combiné avec la machine à compression rapide, permettant l'étude de la combustion de biomasse dans différentes conditions initiales avant son injection dans le gaz réactif. Les résultats de cette étude ont mis en lumière les effets prometteurs de l'injection de poudre sur le contrôle de la combustion homogène pauvre.

Combining an alternative technology like charge compression ignition (HCCI) with renewable energy such as biomass is a good compromise to reduce pollutant emissions at the source. One major problem of this combustion is the control of ignition timing; the direct injection of solid particles in suspension into the reactive mixture may control the start of ignition. Hence, the work was divided into two parts. In the first part, gaseous biomass combustion was studied experimentally on a rapid compression machine under HCCI conditions. Because of the complexity of this combustion mode, a simplified approach of the process was simulated numerically on Chemkin-Pro to study the effects of initial conditions and fuel composition on the physico-chemical aspects of the combustion as well as the produced pollutant emissions. After highlighting the advantages of lean combustion, and a fuel type biogas/syngas in reducing pollutant emissions, a database was built to select an optimized range of conditions for minimal emissions and a specific reactivity. The second part of this work was dedicated to ignition control. A particle injector was conceived to inject biomass powder into the reactive mixture directly. This system was combined with the rapid compression machine, allowing the study of biomass combustion with different initial conditions prior to its injection into reactive gas. The results of this study shed light on the promising effects of powder injection in the control of lean homogeneous combustion.