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description
D.E.A - T. E. GP.Spécialité Energétique
Présenté par
Cédric GARNIER
Caractérisation de la combustion dans un moteur Dual-Fuel fonctionnant au Gaz de
Gazogène
Responsable scientifique: O. LE CORREDépartement Systèmes Énergétiques et Environnement
École des Mines de Nantes11 juillet 2003
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Contexte de l’étude
Contexte énergétique mondial : chute des réserves de pétrole
nouvelles ressources énergétiques
traitement des déchets
Gaz de gazogène : Issu de la combustion incomplète du bois
dit gaz « pauvre » car de faible PCI (4,7 MJ/kg)
• Introduction• Délai Ignition• Combustion• Emissions• Conclusion
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Moteur Dual-Fuel
Principe:les conditions thermodynamiques dans le cylindre lors de l’auto-inflammation du gazole sont propices à l’initiation et à la propagation de la combustion du gaz pauvre.
Substitution:
100.diesel
fueldualdiesels m
mmd
• Introduction• Délai Ignition• Combustion• Emissions• Conclusion
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Problématique
Banc moteur EMN
Pression cylindre pangle vilebrequin
Modèle d’analyse« 1 zone »
Dégagement de chaleur expérimental
d
Qd cˆ
• Introduction• Délai Ignition• Combustion• Emissions• Conclusion
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Analyse de la courbe expérimentale
Combustion « diffusante »
Combustion « prémélangée gazeuse »Combustion « prémélangée pilote »
Délai d’ignition
Injection dugazole dans la
chambre
Auto-inflammationdu gazole
• Introduction• Délai Ignition• Combustion• Emissions• Conclusion
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Objectifs
Modèle de prédiction du Délai d’Ignition
Équation de type Arrhénius modifiée
Modèle de prédiction de la courbe de combustion
3 Lois de Wiebe
Caractérisation des émissions polluantes
taux de CO2, NOx et HC
• Introduction• Délai Ignition• Combustion• Emissions• Conclusion
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DELAI D’IGNITION
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DI expérimental
Angle d’injection départ de combustion
Pression dans le circuit d’injection(mesures moteur GPL-gazole, A. Bilcan)
Détermination du départ de combustion
• Introduction• Délai Ignition• Combustion• Emissions• Conclusion
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DI expérimentaux en fonction de la substitution
• Introduction• Délai Ignition• Combustion• Emissions• ConclusionDI expérimental
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Relation de Prakash et al. (SAE, 1999):
63,0.exp... QDAEOfCADI kc
- A , EA , Oc : paramètres connus/calculables
- D , Q : paramètres fonction de Tinj et Pinj
- Cf , k : paramètres inconnus à déterminer pour calibrage sur les valeurs expérimentales
• Introduction• Délai Ignition• Combustion• Emissions• ConclusionPrédiction du DI
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Hypothèses compression polytropique et gaz parfait :
ndf en mode Dual - Fuel :
(A. Bilcan et al., ASME, 2001)
mrTPVcstePV dfn ;
pfairndfn .
PMB
Injection gazole
Phase de compression avant injection de gazole
Tinj , Pinj , Vinj
Tadm , Padm , Vadm
Concentration volumiquede gaz dans la chambre
• Introduction• Délai Ignition• Combustion• Emissions• ConclusionCalcul de D et Q
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Expression de α (A. Bilcan et al., ASME, 2001):
expression de calcul de ndf
calcul de Tinj , Pinj
calcul de D, Q
),(
),(
dfvpdf
dfvpdf
v
dfp
pp
df
Cfgn
CffC
C
df
d
df
d
• Introduction• Délai Ignition• Combustion• Emissions• ConclusionCoefficient polytropique
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Calcul de Cf et k
Méthode des moindres carrés:Soit Yi = a + b.xi + ei les équations de droites expérimentales
= ln ( DI mesuré )
Soit yi = a + b.xi les équations de droites de prédiction
= ln ( DI prédit )
Soit à minimiser
ii
eiyiYibas 22),(
784,1542,0
......0
fCetk
betab
s
a
s
• Introduction• Délai Ignition• Combustion• Emissions• Conclusion
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Comparaison des résultats
Écarts < 1°V pour les substitutions > 30%
Corrélation validée
• Introduction• Délai Ignition• Combustion• Emissions• Conclusion
Charge 40% Charge 50%
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MODELISATION DE LA COMBUSTION
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Lois de Wiebe
1
0.exp1)(
M
totale
c aQ
Q
),,,( ,0,
iiiiiétapes
icc MQfd
dQ
d
dQ
Loi de Wiebe :
Dégagement de chaleur modélisé :
• Introduction• Délai Ignition• Combustion• Emissions• Conclusion
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Combustion prémélangée pilote
Début:
départ de la combustion définie pour
Fin:
extrapolation de la pente
du pic de combustion
• Introduction• Délai Ignition• Combustion• Emissions• Conclusion
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Facteur d’erreur ε
Quantification de l’écart prédictif / expérimental:
(%)100.2
2
dd
dQ
dd
dQ
ddQ
f
d
f
d
m
pm
• Introduction• Délai Ignition• Combustion• Emissions• Conclusion
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Combustion diffusante
Début:
méthode de la bissection:
passage par valeur nulle de la courbe (dQ/d)restante
Fin:
fin de la combustion définie pour une fraction brûlée de 99,9%
• Introduction• Délai Ignition• Combustion• Emissions• Conclusion
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Combustion prémélangée gazeuse
Début:
méthode de bissection sur la courbe restante
Fin:
méthode de bissection sur la courbe restante
• Introduction• Délai Ignition• Combustion• Emissions• Conclusion
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Analyse et conclusions
Courbe résiduelle(fluctuations de pression)
• Introduction• Délai Ignition• Combustion• Emissions• Conclusion
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Exemples de prédictions
Bonne corrélation entre expérimental et prédictif
• Introduction• Délai Ignition• Combustion• Emissions• Conclusion
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Lois de comportement
Extrapolation linéaire des coefficients:
bdaparamètre s .
• Introduction• Délai Ignition• Combustion• Emissions• Conclusion
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Lois de comportement
Conclusions:
paramètres angulaires indépendants de la substitution
facteurs de forme M indépendants de la substitution
valeur proche de 1 pour la pente de Q=f (ds)
Paramètre a b
combustion prémélangée pilote0 (CA) -1,9.10-2 359 (CA) 2,9.10-3 8,2Q (J) -0,97 248M (-) 2,3.10-2 1,84
combustion prémélangée gazeuse0 (CA) -1,5.10-2 365 (CA) -6,6.10-2 22,4Q (J) 1,14 137M (-) 1,4.10-3 0,72
combustion diffusante0 (CA) -1,9.10-2 359 (CA) 1.10-2 84,7Q (J) -0,97 248M (-) 0 0,4
• Introduction• Délai Ignition• Combustion• Emissions• Conclusion
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EMISSIONS POLLUANTES
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Émissions polluantes
CO2 :
Contribue à l’effet de serre
Nouveaux enjeux écologiques et politiques
NOx :
Formation de NO, puis oxydation en NO2 dans l’atmosphère
Cinétique de formation de type Arrhénius
HC (Hydrocarbures imbrûlées) :
Composants du carburant ou produits obtenus par des réactions complexes entre hydrocarbures
• Introduction• Délai Ignition• Combustion• Emissions• Conclusion
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Émissions de CO2 mesurées en mode Dual-Fuel
Analyse des CO2
• Introduction• Délai Ignition• Combustion• Emissions• Conclusion
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Analyse des NOx
Expression analytique:
Résultat (charge 40 %) :
A = 8,1.10 6 ppm
EA = 36 kJ/mol
ech
Ax TR
EANO
.exp.
Émissions de NOx mesurées en mode Dual-Fuel
• Introduction• Délai Ignition• Combustion• Emissions• Conclusion
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Analyse des HC
Émissions de HC mesurées en mode Dual-Fuel
• Introduction• Délai Ignition• Combustion• Emissions• Conclusion
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Résultats
Intérêt:Consommation réduite de gazole donc de pétrole
Inconvénient:
Augmentation du taux de polluants avec la substitution
Études indispensables des process de production,transport, etc… pour une analyse plus exhaustive.
• Introduction• Délai Ignition• Combustion• Emissions• Conclusion
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CONCLUSION
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Rappel des objectifs : caractérisation de la combustion dual-fuel {gazole-gaz de gazogène}
proposition d’une méthode d’analyse et d’interprétation par 3 lois de Wiebe
Bilan des travaux: validation des modèles de prédiction
présentation en cours de validation (journal SAE)
• Introduction• Délai Ignition• Combustion• Emissions• Conclusion
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FIN