Décharge radiofréquence produite dans les gaz à pression élevée pour le déclenchement de combustion

Characterization of radiofrequency discharge produced in high pressure gases-internal combustion engines applications

• Auteur / Autrice : Frédéric Auzas
• Direction : Vincent Puech
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique
• Date : Soutenance en 2008
• Etablissement(s) : Paris 11
• Partenaire(s) de recherche : autre partenaire : Université de Paris-Sud. Faculté des sciences d'Orsay (Essonne)

Mots clés

Mots clés contrôlés

Automobiles -- Moteurs -- Combustion

Automobiles -- Allumage

Moteurs

Hautes pressions

Radiofréquences

Mots clés libres

Décharge RF

Résumé

Cette étude s’attache à caractériser une décharge électrique radiofréquence (RF) générée par une alimentation résonante pour des applications automobiles de déclenchement de combustion. Pour répondre aux futures normes de pollution, il convient de dépasser les limites de la bougie d’allumage conventionnelle. La décharge hors-équilibre du système d’allumage RF créée à l’extrémité d’une pointe apparaît multi-filamentaire. Sa durée peut atteindre plusieurs centaines de microsecondes. A la pression atmosphérique, la chronologie de l’étincelle établie par imagerie rapide et mesures électriques rapides permet d’identifier les étapes de sa formation depuis son initiation en fonction de la polarité de l’électrode jusqu’au maintien des filaments dans le temps et l’espace. Certaines propriétés physico-chimiques de la décharge RF sont aussi mises en avant. A pression élevée et dès 3 bars, il s’opère une transition dans la propagation des filaments. Une instabilité supposée électrostatique tend à déformer la structure ramifiée durant la phase de maintien. Les températures du plasma déterminées par spectroscopie d’émission révèlent un confinement thermique. L’inflammation d’un mélange air-propane par la décharge RF est étudiée expérimentalement et au travers d’un modèle numérique. L’importance de la thermique apparaît au travers de la forme du noyau de flamme qui s’appuie sur la structure de la décharge donnant lieu à un volume enflammé très important. Ainsi, la décharge RF est une réelle alternative à l’arc électrique pour les moteurs à allumage commandé.

To comply with the forthcoming anti-pollution norms, it is necessary to exceed the limits of the conventional spark plug. The goal of the present study is the characterization of a radiofrequency (rf) gas discharge promising for automotive combustion applications. Powered by a resonant system and created at the tip of a single pin-electrode the non-equilibrium rf discharge of 100s µs duration appears multi-filamentary and large in volume. The detailed chronology of the rf spark was analyzed in air at atmospheric pressure owing to time-resolved imagery and fast electrical measurements. The different stages of the discharge formation from the breakdown depending on the electrode polarity up to the maintenance of the filaments in space and time are described. At the gas pressure above 3 bars, the discharge appears rather different. An instability assumed to be electrostatic tends to deform the branched structure during the maintenance phase. The thermal confinement of plasma channels is revealed from emission spectroscopic measurements. The ignition of an air-propane mixture by the rf discharge is studied experimentally and simulated numerically. The thermal processes of ignition seem to be of primary importance. The flame kernel correlated to the structure of the discharge leads to an ignited volume much more important compared with the conventional arc discharge. This study shows the real alternative the rf discharge can be for fuel engine ignition.