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