ANALYSE ET COMPREHENSION DU DEROULEMENT DE LA COMBUSTION EN MODE HCCI

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• ANALYSE ET COMPREHENSION DU DEROULEMENT DE LA
  COMBUSTION EN MODE HCCI
• Homogeneous Charge Compression Ignition
• Directeur de thèse Philippe Dagaut
• Promoteur IFP Xavier Montagne
• IFP/LCSR
• Dorothée Alseda

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PLAN

• Contexte
• Généralités sur la combustion HCCI
• Objectifs de la thèse
• Partie expérimentale
• Volet laboratoire
• Volet banc moteur
• Conclusion et perspective

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CONTEXTE
Normes Date CO HC HCNOx NOx Particules
Diesel Euro 3 2000 0,64 0,56 0,50 0,05
Diesel Euro 4 2005 0,50 0,3 0,25 0,025
Diesel Proposition Euro 5 2009 0,50 0,23 0,18 0,005
Essence Euro 3 2000 2,30 0,20 0,15
Essence Euro 4 2005 1 0,10 0,08
Essence Proposition Euro 5 2009 1 0,10 0,07 0,005
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CONTEXTE

• Comment franchir les prochaines étapes
  réglementaires en évitant les systèmes "lourds"
  de dépollution?
• Combustion LTC
• Combustion HCCI

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COMBUSTION HCCI GENERALITES

• Mode de combustion HCCI
• Cycle diesel
• Injections du carburant "précoces" et contrôle de
  l'EGR (Recirculation des gaz brûlés)
• Auto-inflammation du mélange air/carburant à une
  température et pression données
• Milieu "homogène"

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COMBUSTION HCCI GENERALITES

• Avantages de la combustion HCCI
• Réduit les émissions de NOx et de particules par
  un facteur de 10 à 100
• Axes à améliorer
• Etendre significativement la zone de
  fonctionnement en mode HCCI
• Diminuer des émissions d'HC et de CO
• Maîtriser les niveaux de bruit
• Voies d'action

Technologie
Carburant
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COMBUSTION HCCI GENERALITES

• Caractéristique
• La combustion HCCI se déroule en deux étapes
  flamme froide puis flamme chaude

Flamme chaude
Auto-inflammation finale flamme chaude
Flamme froide
Flamme froide
Initiation
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OBJECTIFS DE LA THESE
Améliorer la combustion HCCI via le carburant
Comprendre la combustion HCCI maîtrise des 3
processus mis en jeu
Initiation
Déroulement de la combustion
Vaporisation
Axes de formulation de carburants adaptés
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MOYENS DE LA THESE
Améliorer la combustion HCCI via le carburant
Comprendre la combustion HCCI maîtrise des 3
processus mis en jeu
Initiation
Réacteur auto-agité
Banc moteur
Déroulement de la combustion
Vaporisation
Axes de formulation de carburants adaptés
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PARTIE EXPERIMENTALE

• Volet laboratoire réacteur auto-agité (LCSR)
• Etude de l'initiation de la combustion
• Conditions parfaitement contrôlées
• Molécules modèles
• Volet banc moteur moteur monocylindre HCCI
  (IFP)
• Etude de l'initiation et du déroulement de la
  combustion
• Conditions réelles
• Carburants

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PARTIE EXPERIMENTALE
CHOIX DES CARBURANTS

• Problème de la combustion HCCI zone de
  fonctionnement limitée
• Moteur doit fonctionner en mode conventionnel
  diesel et en HCCI
• Rester proche des formulations de carburant
  actuelles
• BASE DIESEL
• Gazole conventionnel pas optimum pour la
  combustion en mode HCCI
• AJOUT DE MOLECULES MODELES

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PARTIE EXPERIMENTALE
CHOIX DES CARBURANTS

• Molécules modèles choisies pour favoriser les
  paramètres clés vaporisation, initiation et
  déroulement de la combustion
• Oléfine long délai d'auto-inflammation et
  double liaison conduisant à une réactivité accrue
• Acétal court délai et diminution des particules
  à l'échappement des moteurs automobiles
• Naphtène/cycloalcène délai dépend de la
  structure chimique et molécules cycliques -
  tendues

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PARTIE EXPERIMENTALE

• Oxydation de molécules simples en fonction de
  plusieurs paramètres
• Principe de fonctionnement
• Température imposée
• Réactifs très dilués
• Entrée dans la zone réactionnelle
• Oxydation du mélange (attente de 15 min), milieu
  stable et homogène
• Récupération des gaz d'oxydation dans des ballons
  en pyrex
• Augmentation de la température
• Fractions molaires des réactifs, des
  intermédiaires et des produits de la réaction
  d'oxydation en fonction de la température

REACTEUR AUTO-AGITE
Capillaire et système de préchauffage
Tube externe
Cône convergent
Injecteurs
Réacteur sphérique en quartz
Cône divergent
Sonde de prélèvement et thermocouple
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PARTIE EXPERIMENTALE
REACTEUR AUTO-AGITE

• Base pour le réacteur n-octane
• Molécules modèles

n-octane
1-octène Méthylal Cyclohexane Cyclohexène Décaline

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PARTIE EXPERIMENTALE
REACTEUR AUTO-AGITE

• Résultats ajout de 1-octène

n-octane
n-octane/1-octène 75/25
L'ajout de 1-octène inhibe la
flamme froide du n-octane
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PARTIE EXPERIMENTALE
REACTEUR AUTO-AGITE

• Résultats
• Le 1-octène, méthylal,
  cyclohexane, cyclohexène et décaline inhibent la
  flamme froide du n-octane

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PARTIE EXPERIMENTALE
BANC MOTEUR

• Moteur mono-cylindre à quatre temps
• Concept NADI (Narrow Angle Direct Injection)
  développé par l'IFP
• Fort taux d'EGR (Recirculation des gaz brûlés)
• Caractéristiques

Alésage 78,3 mm
Course 86,4 mm
Cylindrée 416 cm3
Taux de compression 151
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PARTIE EXPERIMENTALE
BANC MOTEUR
1-octène Cyclohexane Cyclohexène Décaline

• Nouvelles molécules modèles

Butylal 1,7-octadiène Norbornadiène

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PARTIE EXPERIMENTALE
BANC MOTEUR

• Résultats ajout de cyclohexane

Initiation
La combustion chaude est retardée
dans le cycle
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PARTIE EXPERIMENTALE
BANC MOTEUR
Molécules ( volumique) Caractère
1-octène (10) Inhibiteur
1,7-octadiène (10) Inhibiteur
Butylal (10 et 20) Promoteur ou inhibiteur
Cyclohexane (10) Inhibiteur
Cyclohexène (10) Inhibiteur
Décaline (10) Décaline (30) Pas d'effets significatifs Inhibiteur
Norbornadiène Inhibiteur mais ne brûle pas pour certains points
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CONCLUSION ET PERSPECTIVE

• Potentiel de contrôle de la combustion via le
  carburant
• Optimisation du calage par la formulation du
  carburant adaptée
• Cartographie de l'effet des molécules modèles
• Perspective Augmenter la compréhension avec de
  nouveaux dispositifs expérimentaux comme la
  machine à compression rapide

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(No Transcript)
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ANNEXE

• Schémas d'oxydation des hydrocarbures (3 domaines
  de températures)
• Flamme froide (lt 700 K)
• propagation ramifiante
• cinétique lente
• Coefficient négatif de température (entre 700 K
  et 800 K)
• nouveau mécanisme propagation linéaire
• diminution de la vitesse de réaction quand la
  température augmente
• Flamme chaude (gt 800 K)
• propagation ramifiante
• dissociation des hydrocarbures
• cinétique rapide