Identification de températures à travers un gaz de combustion par spectrométrie et thermographie infrarouge
par Nathalie Bianchini
Thèse de doctorat en Énergétique
Sous la direction de Christian Bissieux.
Soutenue en 2006
à Reims .
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Résumé
L'objectif de cette étude, menée au sein du Groupe PSA Peugeot Citroën, est de contribuer à développer une méthodologie pour déterminer les températures de paroi dans une chambre de combustion de moteur Diesel. Ce travail s'est fait en deux étapes, puisqu'il s'agit d'une mesure de température de surface (température de paroi) à travers un milieu semi-transparent (gaz de combustion). Deux méthodes optiques sont utilisées : la spectrométrie pour étudier les gaz seuls et la thermographie infrarouge pour la détermination des températures à travers ces gaz. Pour tester la méthode proposée, un banc spécifique a été entièrement conçu puis réalisé. Il est constitué d'une enceinte cylindrique étanche, appelée “cellule gaz”, qui peut contenir un mélange de gaz et de vapeur d'eau à des conditions de température et de pression allant jusque 600°C et 30 bar. Pour l'analyse spectrale des gaz, la cellule est munie de deux hublots en saphir. Les gaz étudiés sont les principaux gaz de combustion, actifs dans le domaine infrarouge 3,7 - 5,2 µm soit : CO2, H2O, CO, NO et des hydrocarbures. Pour interpréter ces essais, une première modélisation des transferts radiatifs associée à un modèle statistique à bandes étroites a été développée. A partir de l'étude de sensibilité de ce modèle et de l'ensemble des essais réalisés, quatre bandes spectrales ont été définies pour les filtres de la caméra : [3,7 - 4] µm, [4,1 - 4,3] µm, [4,3 - 4,7] µm et [4,7 - 5,2] µm. Pour l'étude de la paroi, un des hublots de la cellule est remplacé par une paroi opaque. Des essais préliminaires pour étudier la paroi avec le spectromètre ont été réalisés et une deuxième modélisation des transferts radiatifs a été développée. Une procédure inverse associée à ce modèle et utilisant la méthode d'estimation de paramètres de Gauss-Newton a permis d'identifier simultanément les températures de gaz, de hublot et de paroi. Les températures identifiées sont comparées à des mesures par thermocouples ou à des consignes. Différentes séries d'essais ont ensuite été réalisées avec la caméra munie des filtres. Pour interpréter ces essais, la deuxième modélisation a été adaptée à la résolution spectrale correspondant à celle des filtres, et le modèle a été réduit en construisant un modèle de propriétés radiatives spécifique. La procédure inverse associée à ce modèle a permis d'identifier simultanément les températures du gaz, ici supposé isotherme, du hublot et de la paroi. Celles-ci sont comparées aux mesures par thermocouples et aux températures identifiées par spectrométrie dans les mêmes conditions d'essai. L'ensemble des résultats obtenus pour l'identification des trois températures reste satisfaisant, même lorsque le gaz est fortement émissif ou l'émission de la paroi est faible.
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Titre traduit
Temperatures identification through a combustion gas by spectrometry and infrared thermography
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Résumé
The purpose of this study, realized within PSA Peugeot Citroën Group, is to contribute to develop a method of wall temperatures measurement in a combustion chamber of Diesel engine. This is a two step work , since it deals with a surface temperature measurement (wall temperature) through a semi-transparent medium (combustion gas). Two technologies are used : spectrometry to study gases alone and infrared thermography to determine temperatures through these gases. In order to test the proposed method, a specific test bench was designed then built. It is composed of a cylindrical gas autoclave called “gas cell” which can contain a mixture of gases and water vapour at temperature and pressure up to 600°C and 30 bar. For the spectral analysis of gases, the cell is equipped with two sapphire windows. The analysis focuses on the main active combustion gases in the 3,7 - 5,2 µm infrared domain : CO2, H2O, CO, NO and hydrocarbons. To interpret these tests, a first radiative transfer modelling combined with a statistical narrow-band model was developed. From the sensibility study of this model and from the whole of the tests, four spectral bands were defined for the camera filters : [3,7 - 4] µm, [4,1 - 4,3] µm, [4,3 - 4,7] µm and [4,7 - 5,2] µm. For the study of the wall, one of the cell windows was replaced with an opaque plate. Preliminary tests studying the wall temperature were realized with the spectrometer and a second radiative transfer modelling was developed. An inverse procedure associated with this model and using the Gauss-Newton parameter estimation method allowed to simultaneously identify the temperatures of gas, window and wall. The identified temperatures were compared with settings or thermocouple measurements. Different series of tests were realized with the camera and its filters. To interpret these tests, the second modelling was adapted to the filters spectral resolution and the model was reduced by constructing a specific radiative properties model. The inverse procedure associated with this model allowed to simultaneously identify the gas (here supposed isothermal), window and wall temperatures. These were compared with the thermocouple measurements and with the identifications by spectrometry in the same test conditions. The results obtained for the three temperatures remain satisfactory, even when the gas is strongly emissive when the wall emission is weak.
