Développement et exploitation de techniques de diagnostic optique de mesure de température pour la compréhension des phénomènes de combustion dans les moteurs thermiques
par Robin Devillers
Thèse de doctorat en Énergétique
Sous la direction de Juan-Carlos Rolon.
Soutenue en 2008
à Châtenay-Malabry, Ecole centrale de Paris , en partenariat avec Laboratoire d'énergétique moléculaire et macroscopique, combustion (Gif-sur-Yvette, Essonne) (laboratoire) .
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Résumé
La température des mélanges gazeux est un paramètre clé pour la combustion des moteurs à combustion interne. Elle influence significativement la préparation du mélange, l’auto inflammation, la combustion et la formation des polluants. La compréhension des phénomènes physiques associés nécessite des mesures de pointe, pouvant fournir des champs de température avec une bonne précision spatiale et temporelle. L’objectif de ce travail est de développer des techniques applicables en moteur optique, reposant sur l’imagerie de fluorescence induite par laser (LIF)La première partie concerne la mesure de la température dans les gaz frais par fluorescence du traceur toluène. L’émission du toluène se décale spectralement quand la température augmente et celle-ci peut être estimée en mesurant le signal de LIF dans deux bandes spectrales. Le calibrage du rapport de LIF est obtenu par l’acquisition de spectres d’émission durant la compression d’un moteur. Des champs de température en 2D ont ensuite été mesurés dans le cylindre. De nombreuses conditions expérimentales ont été testées, permettant de définir deux stratégies de mesure selon la température étudiée. La seconde partie traite de la LIF OH à deux longueurs d’onde d’excitation pour mesurer la température dans les gaz brûlés. Plusieurs longueurs d’onde d’excitation ont été testées dans un brûleur Bunsen stationnaire (1 bar, mélange méthane / air) ainsi que sur moteur optique, pour sélectionner les raies convenant aux applications moteur. L’erreur causée par l’atténuation du plan laser a été minimisée par le choix de deux transitions OH aux caractéristiques d’absorption similaires, approche testée sur brûleur à contre-courant.
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Titre traduit
Development and application of optical diagnostic-based temperature measurement technique for the investigation of combustion in reciprocating engines
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Résumé
Temperature of the in-cylinder gas mixture is a key parameter for combustion in internal combustion (IC) engines. Temperature has a significant influence on mixture preparation, auto-ignition chemistry, combustion and pollutant emissions formation. Understanding the underlying physical phenomena requires advanced measurement techniques that provide accurate spatial and temporal distributions of temperature. The objective of this research is therefore, to develop advanced measurement techniques applicable in optical IC engines, based on laser-induced fluorescence (LIF) imaging. The first part focuses on a technique dedicated to the measurement of unburned gas temperature based on toluene tracer fluorescence. The toluene LIF emission shits spectraly as a function of temperature and this shift can be estimated by measuring the LIF signal in two distinct spectral ranges. The calibration of this signal ratio is performed with emission spectra acquired during the compression of an engine. 2D temperature distributions were then acquired in the engine using the toluene LIF technique. Several experimental conditions were investigated, leading to two measurement strategies depending on the temperature range. The second part describes the two-line OH LIF technique for temperature measurements within the burned combustion gases. Various excitation wavelengths were tested in a steady-state Bunsen-type methane/air flame at 1 bar as well as in an optical engine in order to select appropriate OH lines. The error due to laser sheet attenuation was minimized by selecting two OH transitions with similar absorption characteristics. This strategy was tested in a counter-flow burner flame.
