Moteurs à hydrogène

Moteurs à hydrogène

Combustion anormale dans les moteurs

Le retour des flammes a été un obstacle important au développement des moteurs à hydrogène. La plupart, sinon la totalité, de la littérature mentionne que le retour des flammes se produit seulement quand le mélange combustible est présent dans la tubulure d’admission (formation externe du mélange gazeux). Les causes du retour des flammes sont les suivants:
• Les points chauds dans la chambre de combustion: dépôts et particules [1, 2], bougies d’allumage [3, 4], gaz résiduels [5, 4, 6], soupapes d’échappement [6, 7, 9], etc. Ces points chauds provoquent facilement le retour des flammes à cause de la basse énergie  d’inflammation de l’hydrogène, qui est beaucoup plus inférieure à celle des hydrocarbures, et à cause des larges limites d’inflammabilité. Les Dépôts et les particules sont issus de la combustion partielle de l’huile de graissage et/ou la formation de la rouille.
• L’énergie résiduelle dans le circuit d’allumage: due à la basse concentration des ions de la flamme hydrogène/air par rapport à la flamme Hydrocarbure/air. Il est possible que l’énergie d’allumage ne soit pas complètement libérée dans la flamme et reste dans le circuit d’allumage du cylindre jusqu’à ce que les conditions soient telles qu’à un moment précis, indésirable, l’allumage puisse se produire, notamment lors de l’expansion ou lors du cycle d’admission, lorsque la pression est faible [4, 10].
• Induction dans le câble d’allumage: pour les moteurs à cylindres multiples, l’allumage (contrôlée) dans un cylindre peut provoquer une inflammation induite dans un autre cylindre lorsque les câbles d’allumage individuels sont placés l’un près de l’autre [2].
• La combustion dans le cordon du piston se maintient jusqu’au moment de l’ouverture de la soupape d’admission et l’allumage de la charge fraîche [4, 11, 12, 13]. Ceci est causé par la distance d’extinction d’hydrogène qui est plus petite que celle des hydrocarbures, ce qui permet à la flamme d’hydrogène de se propager dans le cordon.
• Le pré-allumage résulte d’une inflammation puis d’une combustion plus au moins complète de la charge avant l’allumage par étincelle. Il est souvent rencontré dans les moteurs à hydrogène en raison de la faible énergie d’allumage et des larges limites d’inflammabilité de l’hydrogène. Comme la combustion prématurée provoque l’inflammation du mélange principalement pendant la course de compression, la température dans la chambre de combustion augmente, ce qui contribue à l’apparition des points chauds qui conduisent à leur tour au préallumage, qui en augmentant la température, entraîne au plus tard, le pré-allumage lors du cycle suivant. Le pré-allumage se poursuit jusqu’à ce qu’il se produise pendant la course d’admission et cause ainsi le retour des flammes [14, 12, 16]. Le mécanisme est appelé un emballement de pré allumage et peut aussi résulter d’un cycle de cognement, ce qui augmente la température de la chambre de combustion et crée un point chaud [2].

La faible énergie d’inflammation est souvent trop facilement identifiée comme étant la principale cause du retour des flammes. L’énergie d’allumage est définie par l’énergie d’allumage minimal nécessaire pour allumer le mélange [17], alors que l’inflammation par les masses thermiques telles que les soupapes et les gaz résiduels est plus liée à la température d’auto-allumage du mélange, la température à laquelle le mélange va s’enflammer spontanément. Comme les moteurs à allumage par compression à hydrogène nécessitent des taux de compression très élevés afin d’assurer l’auto inflammation [15], il est hautement improbable que, par exemple les gaz résiduels pourraient initier l’auto-allumage. En outre, cela ne peut pas expliquer l’apparition du retour des flammes aux conditions de mélange pauvre (basse température). En outre, les dépôts et les particules sont fréquemment cités, bien que (en supposant un moteur en bonnes conditions) les concentrations de celles-ci sont extrêmement faibles pour les moteurs à hydrogène. La «poussière inerte dans l’air» a même été citée [5].

Malgré que des tests ont été menés [4,12] sur des moteurs où tous les points chauds ont été éliminés (nettoyage soigneux du moteur, contrôle de l’huile ou même opération non lubrifiée, balayage des gaz résiduels, bougies froides, soupapes d’échappement refroidies…), et en évitant tout allumage incontrôlé par étincelle; le retour des flammes a eu lieu. On suppose que la distance d’extinction de l’hydrogène (avec les larges limites d’inflammabilité), permettant une combustion dans le cordon du piston, est un paramètre qui a été négligé par beaucoup d’auteurs. Des moteurs à hydrogène ont été conçus, fonctionnant avec des mélanges stoechiométriques, sans le moindre retour de flamme, grâce à une sélection rigoureuse des segments de piston et des volumes caverneux, sans recours à l’injection synchronisée ou aux soupapes d’échappement refroidies [11].

Les auteurs qui ont prêté une attention particulière au refroidissement accrue, au “contrôle amélioré de l’huile” par le montage de différents segments, par une augmentation du balayage des gaz, etc., attribuent le fonctionnement sans retour de flammes qui en résulte, à la réduction des points chauds, mais ont en même temps (parfois peut-être sans s’en rendre compte), aux mesures prises pour supprimer la combustion anormale .

Certains auteurs mentionnent qu’une diminution du taux de compression par l’abaissement de la température de la chambre de combustion pourrait augmenter la résistance au retour des flammes [9, 18]; d’autres disent que l’augmentation du taux de compression est conseillée, afin d’augmenter la surface de la chambre de combustion par rapport au volume, ce qui améliore le transfert de chaleur et le refroidissement des gaz résiduaires [5, 19]. Un taux de compression élevé permet également de réduire la quantité de résidus. Les deux suggestions sont valides et indiquent l’existence d’un taux de compression optimal: son augmentation aura comme conséquence l’augmentation de la puissance grâce à un rendement effectif élevé jusqu’à un certain point, où le mélange doit être allégé afin d’éviter le préallumage et la chute de la puissance [6, 20].

Le phénomène du cliquetis (ou encore cognements) dans les moteurs à hydrogène, qui est une combustion anormale entraînant une résonance de l’explosion sur les parois de la chambre de combustion et du piston, a été mal étudié. Pour ce est qui du retour des flammes, certaines causes ont été mélangées ou leurs effets surestimés, mais en ce qui concerne le cliquetis, il y avait des revendications totalement contradictoires dans la littérature.

La formation du mélange pour la combustion

Plusieurs méthodes de formation du mélange ont été testées dans les moteurs à hydrogène, afin d’éviter le phénomène du retour des flammes:
• formation externe du mélange avec un carburateur à gaz [4, 19],
• formation externe du mélange avec induction parallèle, c’est à dire: un moyen de retarder l’introduction de l’hydrogène, par exemple une conduite de carburant fermée par une vanne séparée sur le dessus de la soupape d’admission qui s’ouvre uniquement lorsque la soupape d’admission est assez levée [27],
• formation externe du mélange de gaz avec un carburateur et injection d’eau [9, 21], parfois avec recirculation des gaz d’échappement supplémentaire (RGE) [28],
• formation externe du mélange avec collecteur chronométré ou injection du carburant dans l’orifice d’admission (ICOA) [14, 2,6, 11, 16, 20, 29], parfois aussi avec des moyens d’induction parallèle [24],
• la formation du mélange interne par injection directe (ID) [30, 31, 32, 33]. L’injection d’eau, l’introduction tardive de l’hydrogène et l’injection directe sont toutes principalement destinées à retarder ou à empêcher le retour des flammes soit par un refroidissement supplémentaire ou en évitant l’inflammation du mélange pendant la phase d’admission. Au cours de la dernière décennie, seulement l’injection du carburant dans l’orifice d’admission et l’injection directe (lors de la course de compression ou plus tard) ont été utilisées, comme les autres méthodes sont moins flexibles et incontrôlables. Il a été démontré que la formation externe du mélange à l’aide de l’injection du carburant dans l’orifice d’admission mène à l’augmentation des rendements du moteur, à la prolongation du fonctionnement avec mélange pauvre et à la réduction des émissions des NOx par rapport à l’injection directe [25, 34]. Ceci est la conséquence de l’homogénéité élevée du mélange en raison de longues durées de formation du mélange dans les moteurs à injection dans l’orifice d’admission (MIOA) ainsi que les durées de formation du mélange dans les moteurs à injection directe (MID), étant donné que les turbulences générées de l’admission contribuent moins à la formation du mélange. En outre, le coût et la complexité sont significativement plus faibles pour les MIOA que pour les MID [7] et l’adaptation d’un moteur existant est possible. D’autre part, la puissance d’un moteur à hydrogène avec formation du mélange externe est limitée en raison de la diminution du rendement volumétrique: en raison de la faible densité de l’hydrogène et l’exigence de petites quantités d’air des mélanges stoechiométriques, le volume du cylindre occupé par de l’hydrogène dans un mélange stoechiométrique atteint les 29.5%. Il en résulte une diminution de la teneur en énergie volumique d’environ 18% pour l’hydrogène par rapport à l’essence. Si l’injection directe est utilisée pour introduire l’hydrogène après que la soupape d’admission soit fermée, la puissance maximale peut être supérieure de 17% par rapport à l’essence .

Un avantage important de l’injection directe par rapport à l’injection dans l’orifice d’admission est l’impossibilité du retour de flamme. Cela augmente aussi la puissance maximale de l’injection directe par rapport à l’injection dans l’orifice d’admission comme les plus riches mélanges peuvent être utilisés sans crainte de retour de flamme. Le pré-allumage peut encore se produire sauf si l’injection très tardive est utilisée. La formation externe du mélange offre une plus grande liberté en ce qui concerne les méthodes de stockage: l’injection directe pendant la course de compression a besoin d’hydrogène à haute pression et nécessite donc le stockage de l’hydrogène liquide.

Ainsi, la formation du mélange externe et celle interne ont leurs avantages et leurs inconvénients. L’injection directe est préférable pour des performances à pleine charge (puissance maximale), l’injection dans l’orifice d’admission est préférable à charge partielle (rendement maximal du moteur). Des modèles de moteurs ont été proposés en utilisant les deux techniques de formation de mélanges .

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Table des matières

Chapitre 1 Introduction 
1.1 Contexte général
1.2 Problématique
1.3 Objectifs
1.4 Méthodologie
1.5 Structure de la thèse
Partie I. État de l’art
Chapitre 2 Notions fondamentales
2.1 Moteur à combustion interne (à explosion)
2.2 Moteurs Diesel (à allumage par compression)
2.3 Moteurs à essence (à allumage commandé)
2.4 Moteurs à gaz naturel
2.5 Moteurs à hydrogène
2.6 Moteur à mélange gazole/gaz naturel (GNV)
2.7 Moteurs à mélanges hydrogène/hydrocarbures
2.8 Références
Chapitre 3 Revue de littérature
3.1 Moteurs à hydrogène
3.1.1 Combustion anormale dans les moteurs
3.1.2 La formation du mélange pour la combustion
3.1.3 Stratégies de contrôle de la charge
3.1.4 Critiques des moteurs à hydrogène
3.1.5 Revues des modèles analytiques
3.2 Moteur alimenté avec du gaz naturel pur
3.3 Ajout d’hydrogène au gaz naturel
3.4 Mélange hydrogène/gaz naturel comprimé
3.5 Mélange du méthane avec l’hydrogène
3.5.1 Vitesses de propagation de la flamme
3.5.2 Délais d’auto-inflammation
3.5.3 Espèces chimiques produites et flammes prémélangées
3.6 Mélange de l’hydrogène avec le gaz de pétrole liquéfié
3.7 Moteurs à combustion externe
3.8 Synthèse de la revue de littérature
3.9 Références
Partie II. Carburants de substitution à l’état pur dans les MCI
Chapitre 4 Produits de combustion d’un moteur à gaz 
4.1 Résumé
4.2 Introduction
4.2.1 Analyse des publications
4.2.2 But de l’étude
4.3 Choix du nombre d’inconnus dans la méthode Zeldovitch-Polarny
4.4 Description de la méthode de calcul (selon Kvasnikov)
4.5 Méthode de calcul des émissions des oxydes d’azote
4.6 Comparaison des résultats des calculs avec les données expérimentales
4.7 Conclusions
4.8 Références
Chapitre 5 Diesel Engine Converted to Forced Aspiration Gas engine 
5.1 Abstract
5.2 Introduction
5.3 Experimental setup
5.3.1 Engine test bench
5.4 Mathematical model
5.4.1 Choice of the compression ratio and the maximum charging pressure
5.4.2 Multi-criteria optimization of adjusting parameters
5.5 Results of the optimization search and construction of the characteristic
maps
5.6 Results of tests of the engine 6G4SS13/14
5.7 Determination of the average emission of toxic compounds, simulating
with the 13-mode, steady-state ESC test cycle
5.8 Conclusions
5.9 References
Chapitre 6 Combustion process of spark ignited hydrogen fueled engine
6.1 Abstract
6.2 Introduction
6.3 Experimental setup
6.4 Results and discussion
6.4.1 Analysis and mathematical modelling of process of combustion of
hydrogen
6.5 Conclusion
6.6 References
Partie III. Carburants de substitution en mélange dans les MCI
Chapitre 7 Moteur à petite cylindrée fonctionnant avec un mélange de gaz naturel et d’hydrogène
7.1 Résumé
7.2 Introduction
7.2.1 Analyse des publications liées à cette l’étude
7.2.2 But de l’étude
7.3 Banc d’essai
7.4 Dispositions générales du modèle de calcul
7.4.1 Méthode du choix du taux de compression
7.4.2 Résolution du problème d’optimisation des paramètres-régulateurs
du moteur 4GCH7.5/7.35, fonctionnant avec mélange combustible
7.4.3 Choix de l’intervalle de variation des facteurs lors de la résolution des
problèmes d’optimisation des paramètres-régulateurs du moteur
7.5 Résultats de l’étude
7.5.1 Cartographies
7.5.2 Les paramètres principaux technologiques et économiques du moteur
7.6 Conclusions
7.7 Références
Partie IV. Moteur à combustion externe
Chapitre 8 External combustion engines
8.1 Abstract
8.2 Introduction
8.3 Experimental setup
8.4 Theoretical model
8.5 Results and discussion
8.6 Conclusion
8.7 References
Chapitre 9 Conclusion

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