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JCJC - SIMI 9 - Sciences de l'Ingénierie, Matériaux, Procédes et Energie (JCJC SIMI 9)
Edition 2013


SHOCK


Etude sur tube à choc haute pression de carburants oxygénés pour la cinétique chimique

SHOCK: Shock tube study at High-pressure of Oxygenated fuels for Chemical Kinetic
Développement d’un tube à choc haute pression pour l’étude de l’autoinflammation

Dispositif expérimental unique en France d’étude de l’auto-inflammation des carburants de nouvelles générations
L’auto-inflammation est un processus d’initiation de la combustion qui nécessite d’être maitrisée pour ne pas être destructeur (cliquetis en moteur essence) ou pouvoir réaliser une combustion de la manière la plus efficiente (initiation de la combustion Diesel). Il est donc important pour les concepteurs de chambre de combustion de la prédire et de la contrôler pour optimiser les performances recherchées. Le développement et l’application de carburants alternatifs nécessitent une caractérisation préalable, dans des conditions thermodynamiques maitrisées (pression, température, concentration) des phénomènes d’auto-inflammation.
Le tube à choc constitue un instrument expérimental efficace pour étudier l'évolution de mélanges réactifs et leur auto-inflammation. Le défi de ce projet est de développer un tube à choc capable de supporter les pressions élevées et d’être au plus proche des conditions réelles du moteur c’est-à-dire d’atteindre des pressions de 20 bar jusqu'à 40 bar.
Le but du projet est la mise en place et la caractérisation d’un tube à choc haute pression et l’étude de carburants alternatifs oxygénés issus de la biomasse.

Validation du tube à choc haute pression et mesures des délais d’autoinflammation
Le tube à choc est un réacteur tubulaire en acier inoxydable de 9,10 m de long, de 5 cm de diamètre intérieur, constitué de deux sections : une section dite « moteur ou haute pression » de 4m et une section dite « test ou basse pression » de 5m. Ces deux sections sont séparées par une section intermédiaire entourées de deux diaphragmes.
Le délai d’auto-inflammation, t, représente la durée nécessaire à l’emballement d’une réaction, il constitue un temps caractéristique de libération d’énergie chimique qui se traduit par l’augmentation de la température et de la pression du milieu et l'apparition quasi-simultanée de nombreuses espèces actives (radicaux OH, atomes O, H). Deux méthodes ont été retenues pour sa détermination :
- par suivi spectroscopique dans le cas des mélanges réactifs très dilués (plus de 98% d’argon) : détection par le photomultiplicateur de l’émission des radicaux excités OH* à la longueur d’onde ? = 306 nm.
- par suivi de l’élévation de pression par capteurs piézoélectriques dans le cas de mélanges peu dilués (moins de 98% d’argon). Une croissance importante du signal de pression est observée simultanément à l'émission des radicaux excités OH*.


Résultats

Les résultats obtenus présentent l’évolution du délai en fonction de la pression, la température et la concentration de carburant.
Le tube à choc a été développé et validé pour la mesure de délais d’auto-inflammation de carburants gazeux et liquides par comparaison avec la littérature.

Perspectives

Une étude, en collaboration avec le laboratoire CNRS ICARE (Orléans), a porté sur la caractérisation d’un composé oxygéné issu de la biomasse. Cette collaboration va se poursuivre dans le cadre d’une thèse. D’autres travaux sont effectués en collaboration avec le Combustion Chemistry Centre (Galway, Irlande).

Productions scientifiques et brevets

Ce projet a permis la production :
- d’un article dans une revue internationale à comité de lecture : “A high pressure experimental and numerical study of methane ignition”, H. El Merhubi, A. Kéromnès, G. Catalano, B. Lefort, L. Le Moyne, Fuel, Vol. 177, pp. 164-172, 2016.
- deux communications internationales posters avec actes soumis à un comité de lecture
- une communication orale invitée à un workshop international.

Partenaires

DRIVE Département de Recherche en Ingénierie des Véhicules pour l’Environnement

Aide de l'ANR 164 320 euros
Début et durée du projet scientifique janvier 2014 - 24 mois

Résumé de soumission

Etude sur Tube à Choc Haute Pression de Carburants Oxygénés pour la Cinétique Chimique.

Le projet commencera en septembre 2013 et s’achèvera en septembre 2015.
Les données fondamentales comme les délais d’autoinflammation et les profiles d’espèces sont très précieuses pour l’amélioration et l’extension des modèles de cinétique chimique aux conditions moteur. Les tubes à choc haute pression sont idéals pour effectuer ces mesures et ont été utilisés ces dernières décennies. Ce dispositif est déjà développé en France cependant aucune des installations actuelles ne permet d’atteindre des conditions comparables aux moteurs dans le but d’obtenir ces données fondamentales. L’objectif principal de ce projet est de développer un tube à choc haute pression original pour la mesure de délais d’autoinflammation. La première étape de ce projet sera d’obtenir des mesures expérimentales et de les comparer avec ceux de la littérature afin de valider le tube. Une fois validé, ce tube pourra être utilisé pour étudier et caractériser des composés oxygénés qui pourraient être utilisé comme carburant.
Il s’agit donc d’un domaine de recherche dont l’impact est très élevé en science et technique de la combustion et carburants alternatifs. La combustion haute pression a été reconnue comme étant un élément central pour le développement de technologies avancées de combustion propres et efficaces.
Ce projet sera divisé en trois parties principales. La première partie consiste en la conception et la fabrication d’un tube à choc haute pression ; en deuxième partie, il s’agira de valider le tube à choc haute pression et la troisième et dernière partie sera l’utilisation du tube dans le cadre de l’étude des processus d’oxydation de différents biocombustibles.
Tous les résultats de ce projet seront publiés dans les revues à comité de lecture et les travaux seront communiqués lors de conférences internationales.
L’équipe est constituée de cinq personnes. Dr. Lefort est coordinatrice du projet, Maître de conférences et impliquée à 95% dans le projet. Dr. Kéromnès, Maître de conférences et impliqué à 85%. Pr. Le Moyne, Professeur, est impliqué à 15%. M. Erard, technicien, est impliqué à 20%. Un postdoctorant sera embauché dans le cadre de ce projet et sera impliqué à 100%. Les partenaires de ce projet sont très complémentaires et pourront mener à bien ce projet grâce à leurs origines diverses qui couvrent tous les aspects physiques et chimiques de processus de combustion dont la préparation de mélange, initiation et propagation de la combustion et la cinétique chimique. De plus, ils ont une solide expérience dans le développement de dispositifs expérimentaux et le développement de méthodes d’analyses pour étudier les processus de combustion. Ils ont également de l’expérience dans le domaine numérique dont la modélisation 3D et 0D et le développement de mécanismes de cinétique chimique. Ce projet a pour but de créer un nouveau domaine de recherche en sein du laboratoire DRIVE ; pour cela il est demandé une aide de 228800€. Il ne fait aucun doute que l’aboutissement de ce projet sera très précieux pour l’équipe et permettra d’établir des collaborations conduisant à des innovations dans le domaine.

Mots clés : tube à choc haute pression, autoinflammation, biocarburant, cinétique chimique de combustion

 

Programme ANR : JCJC - SIMI 9 - Sciences de l'Ingénierie, Matériaux, Procédes et Energie (JCJC SIMI 9) 2013

Référence projet : ANR-13-JS09-0013

Coordinateur du projet :
Madame BENOITE LEFORT (Département de Recherche en Ingénierie des Véhicules pour l’Environnement)
benoite.lefort@nullu-bourgogne.fr

Site internet du projet : http://www.isat.fr/EPEE/SHOCK

 

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L'auteur de ce résumé est le coordinateur du projet, qui est responsable du contenu de ce résumé. L'ANR décline par conséquent toute responsabilité quant à son contenu.