Characterization of Spark Ignition energy transfer by optical and non-optical diagnostics

International audienceThis study focuses on the measurement of energy deposited in the fluid by an electrical discharge in different test conditions. An experimental setup is developed for this purpose: a transistorized coil system supplies the electrical energy input for the spark, from 25 to 45 mJ, which is measured at a pair of pin-to-pin electrodes. The energy deposit, ranging from 8 to 15 mJ, is measured using two different techniques: constant volume calorimetry, and Speckle-based Background-Oriented Schlieren (SBOS). Efficiency of the energy transfer is estimated. Calorimetry shows that efficiency depends on inter-electrode gap and gas conditions, increasing with pressure and gap. SBOS provides spatial distributions of density field, temperature and enthalpy. Calorimetry and SBOS provide similar results in terms of the rate of energy deposit over time. Different test conditions are obtained changing inter-electrode gap (from 1 to 3 mm), energy input and gas pressure (from 0.5 to 4 bar)

Laminar Burning Velocities and Markstein Lengths of Jet Fuel Surrogate/Air Mixtures in a Spherical Chamber

International audienceCharacterizing the propagation of jet fuel/air premixed flames during combustion is key to understanding the performances of advanced modes of combustion for turbo-engines. Consequently, a better knowledge of the combustion characteristics is necessary. Particularly, the laminar burning velocity and the Markstein length in laminar adiabatic conditions are both key parameters to improve the efficiency of innovated turbo-engines with technological breakthrough as constant-volume combustion. In the current study, a spherical combustion chamber equipped with various metrology systems is qualified. First, the new experimental setup is validated with methane/air premixed laminar flames at normal temperature and pressure. The laminar burning velocity of four jet fuel surrogates is then characterized. Measurements are performed over a range of equivalence ratios from 0.7 to 1.5, initial temperature of 400 K, and initial pressure of 0.1 MPa. The results are compared with experimental data available in the literature and with calculations using the chemical kinetics code CANTERA (1D model) and existing chemical kinetic mechanisms. A comparison between the different surrogates is then discussed

Diagnostic des plasmas de combustion par sonde d'ionisation (application à l'étude de l'interaction flamme-paroi instationnaire)

Les sondes d'ionisation sont utilisées depuis longtemps pour réaliser des diagnostics dans les plasmas. Les recherches pour appliquer cette technologie dans le domaine de la combustion sont motivées par le fait que la flamme génère des espèces chargées et se comporte donc comme un plasma faiblement ionisé. Différentes applications de cette technique ont été étudiées au cours de ces dernières années. Ces études ont montré que le courant d'ionisation dépend de nombreux paramètres liés à la combustion (richesse, pression, température ) mais le manque d'outils théoriques rend l'interprétation des résultats complexe et limite pour l'instant l'utilisation de la technique, particulièrement sur les moteurs à combustion interne. L'objectif de cette thèse est de proposer des outils théoriques simples permettant de mieux comprendre les phénomènes d'interaction flamme-sonde et de démontrer le potentiel de ce diagnostic en particulier pour l'étude de l'interaction flamme-paroi. Pour les motoristes l'enjeu des technologies futures sera de proposer une motorisation ayant de faibles émissions polluantes tout en conservant un coût de conception et de réalisation compétitif. La diminution des niveaux d'émission de CO2 et de polluants devra donc passer par des technologies innovantes sans toutefois avoir recours à des post-traitements trop complexes et donc couteux. L'une des caractéristiques de la combustion dans un moteur à allumage commandé est que la flamme atteint par endroit la paroi alors que seulement 30% de la charge a été consommés. Ainsi une grande partie du combustible brûle en proche parois. La présence de cette forte proportion de combustible au niveau de la paroi s'explique par le fait que la charge fraîche se trouvant devant la flamme de prémélange est comprimée sous l action combinée du mouvement du piston et de la détente de gaz brûlés situés derrière le front de flamme, l'essentiel de la charge se trouvant alors concentrée prés des bords de la chambre. Ainsi pour le développement et l'amélioration du fonctionnement des moteurs à allumage commandé, il est indispensable de s'intéresser aux mécanismes de l'interaction flamme-paroi. Les techniques de diagnostic qui sont utilisées aujourd hui pour mesurer les paramètres caractéristiques de l'interaction flamme-paroi ne fonctionnent pas dans certaines conditions de pressions et de température. Les échelles spatiale et temporelle du phénomène diminuent en effet fortement sous l'effet d'une augmentation de la pression. Ainsi les techniques optiques sont limitées par leur résolution spatiale. Les travaux proposés dans cette thèse montrent que les sondes d ionisation permettent de mesurer les paramètres qui caractérisent l'interaction flamme-paroi et notamment pour des conditions de pression et de température supérieures à celles des autres méthodes. Le développement de modèles théoriques simples ont permis de mesurer différents paramètres comme la distance de coincement de la flamme, la vitesse de flamme ou bien encore la température, à partir de l'analyse du courant d'ionisation. Ces mesures ont été réalisées pour différentes géométries d'interaction flamme-paroi et différents type de mélanges. Des mesures combinées par diagnostics optiques (PIV, LIF, visualisation directe) et par mesure du flux de chaleur pariétal ont permis de valider l'ensemble des résultats obtenus sur différentes gammes de pression. Le diagnostic par sonde d'ionisation permet donc de mesurer avec une bonne résolution spatio-temporelle les paramètres de l'interaction flamme-paroi. L'amélioration du diagnostic passe notamment par une augmentation de la fréquence d excitation de la sonde (Radio-fréquence). Cependant les essais réalisés ont mis en évidence que les mécanismes de conduction de la flamme changent sous l'influence de nombreux paramètres comme la densité du gaz ou la fréquence d'excitation. Les résultats obtenus sur la polarisation de la flamme montrent notamment une augmentation de la chute de potentiel anodique sous l'effet de la pression. Les propriétés électriques de la flamme à haute pression ont donc été étudiées expérimentalement et théoriquement. La modélisation de la cinétique chimique de la flamme à haute pression a permis de mettre en évidence la diminution de la concentration d'électrons dans le front de flamme. Par ailleurs les mécanismes d'attachement et de détachement électroniques qui ont lieu dans la zone de coincement ont un impact fort sur les mécanismes de polarisation de la flamme. Il est donc nécessaire de tenir compte des effets de densité du gaz dans les modèles de courant d'ionisation à haute pression. L'amélioration des techniques de mesures du courant d'ionisation proposées dans cette thèse passe donc à l'avenir par une étude approfondie des propriétés électriques de jonctions.The main technological issue for engineers is to put forward a low emission motorization whilst keeping competitive conception and realisation costs. Internal combustion engines are characterized by the fact that the flame reaches the walls in places while only 30% of fresh gazes were burned. Therefore, a big amount of the fuel burns in vicinity of wall. This is why it is essential to study flame-wall interaction mechanisms in order to develop and improve internal combustion engines efficiency. This Ph. D thesis demonstrates that ionization probes can be used to measure flame-wall interaction parameters and in particular, for high pressure and high temperature conditions. Simple theoretical models were developed in order to measure different parameters from ion current analysis, such as the quenching distance, flame velocity, flame temperature. These measurements were performed for head-on and sidewall quenching and different mixtures. The results obtained were validated by using advanced LASER diagnostics (PIV, LIF) and wall heat flux gauge measurements for all pressure ranges. At last, the electrical conductivity of the flame front was theoretically and experimentally studied at high pressure.POITIERS-BU Sciences (861942102) / SudocSudocFranceF

Etude expérimentale et modélisation des pertes thermiques pariétales lors de l'interaction flamme-paroi instantannaire

Au cours de ces travaux, l'interaction flamme-paroi instationnaire a été étudiée expérimentalement en régime laminaire et turbulent, pour comprendre les phénomènes mis en jeu et fournir des données de référence pour la modélisation et la simulation. D'une part, le coincement frontal d'origine thermique a été décrit à l'aide d'un modèle basé sur un bilan d'énergie dans les gaz frais. Cette modélisation purement conductive du coincement de flamme a été confirmée par une simulation de la combustion de prémélange dans une enceinte sphérique. D'autre part, un modèle de pertes thermiques pariétales a été proposé via une approche originale de la conduction thermique, qui apparaît comme le résultat statistique du rebond des molécules de gaz sur la paroi. Développé en collaboration avec RENAULT, ce modèle validé en régime laminaire et turbulent a fait l'objet d'améliorations pour tenir compte de l'aérodynamique locale qui pilote les échanges thermiques aux parois des chambres de combustion.Throughout this work, unsteady flame wall interaction is studied experimentally in both laminar and turbulent regimes, in order to improve current knowledge and provide reference data for modelling and simulation. First, an equation for thermal head-on flame quenching is derived from the energy balance in quenched zone. Based on heat conduction, this model is confirmed by simulating the combustion of gaseous mixture in a spherical vessel. Additionally, a model for wall heat losses is developed in collaboration with RENAULT, based on a new approach of heat conduction resulting from gas wall collisions. This model is validated in both laminar and turbulent regimes, and improved in order to account for the influence of gas dynamics on wall heat losses in combustion chambers.POITIERS-BU Sciences (861942102) / SudocSudocFranceF

Etude expérimentale de l'interaction flamme-paroi instationnaire dans des conditions initiales non isothermes

Lors de la combustion dans un moteur à allumage commandé, la flamme est affectée par la paroi alors que seulement 20% de la charge a été consommée. Il est donc indispensable de s'intéresser aux mécanismes de l'interaction flamme-paroi pour le développement et l'amélioration des moteurs à allumage commandé. Au cours de ces travaux, l'interaction flamme-paroi instationnaire a été étudiée expérimentalement en régime laminaire et turbulent dans des conditions initiales non isothermes. En effet, la température des parois Tw varie entre 300 et 500 K alors que les gaz frais sont à température ambiante. Le but de cette étude est de comprendre les phénomènes mis en jeu et de fournir des données de référence pour la simulation de l'interaction flamme-paroi. L'étude en régime laminaire montre que la densité de flux thermique pariétal maximale qwmax augmente avec Tw pour le coincement frontal et latéral. La distance de coincement diminue lorsque Tw augmente en coincement frontal mais est constante en latéral. Pour ce dernier type de coincement, l'étirement n'est pas négligeable. L'étude en régime turbulent montre que la turbulence fait diminuer qwmax à richesse 1 par rapport au cas laminaire alors qu'elle fait augmenter ce paramètre à richesse 0,7. Le front de flamme est donc cisaillé par l'écoulement des gaz frais à richesse 1 alors qu'il est convecté par cet écoulement à richesse 0,7. Le cisaillement du front de flamme, à richesse 1, a un effet prépondérant sur l'effet de la température de paroi concernant l'interaction flamme-paroi.During combustion in spark ignition engine, the flame is modified by the wall when only 20% of charge is burned. So it is necessary to study the flame-wall mechanisms in order to develop and improve spark ignition engines. Through this work, unsteady flame-wall interaction is studied experimentally considering both laminar and turbulent regimes in non-isothermal initial conditions. Wall temperature Tw varies between 300 and 500 K but unburned gases are at ambient temperature. The issue of this study is to understand the phenomena involved and to provide reference data for flame-wall simulation. In laminar regime, maximal density of wall heat flux qwmax increases with Tw for both head-on and side-wall quenching. Quenching distance decreases when Tw increases for head-on quenching but is constant for side-wall quenching. For this type of quenching, stretch is not insignificant. Considering turbulent regime, at stoichiometry, qwmax decreases because of turbulence in comparison with laminar regime. When fuel-air ratio is equal to 0,7, it is the opposite. So the flow produces a shear to the flame front at stoichiometry and a convection phenomenon on the flame propagation when fuel-air ration is equal to 0,7. At stoichiometry, the effect of stretch is higher than wall temperature effect on turbulent flame-wall interaction.POITIERS-ENS Mécanique Aérot (860622301) / SudocPOITIERS-BU Sciences (861942102) / SudocSudocFranceF

Interactions entre une combustion turbulente et la paroi dans une enceinte fermée

Au cours de ce travail, nous étudions expérimentalement les interactions d'une flamme prémélangée avec une paroi dans une enceinte fermée. Une première approche bibliographique permet d'identifier les différentes grandeurs caractéristiques de l'interaction. Des diagnostics sont spécialement mis en place pour mesurer deux de ces grandeurs : la distance de coincement dQ et la densité de flux pariétal échangée à l'instant de coincement qw. L'étude en régime laminaire montre que dQ, mesurée par visualisation directe, décroît avec la pression et la température de paroi et que qw croît avec la pression. L'équation, généralement utilisée dans la littérature pour lier dQ à qw, est mise en défaut. L'étude en régime turbulent montre que qw ne dépend pas de la turbulence sur la plage étudiée (100<Ret<2000), laissant supposer que l'interaction entre une flamme turbulente et une paroi est assimilable à une interaction laminaire.Premixed flame-wall interaction is experimentally studied inside a closed vessel. Interaction features are first investigated through a literature review. Specific diagnostics are then developed to measure two of these features: flame quenching distance dQ and wall heat flux density qw during quenching phenomena. For laminar flames dQ is found to decrease when pressure and wall temperature increase. In the same configuration qw is found to increase with pressure. The formula usually linking qw to dQ is found to be wrong. Then, the investigation of the turbulent regime shows that qw is not dependent on turbulence for Reynolds numbers between 100 and 2000. This result suggests that the turbulent flame interaction may be assumed to be similar to the laminar interaction.POITIERS-BU Sciences (861942102) / SudocSudocFranceF

Auto-inflammation de mélanges pauvres assistée par plasma

Le durcissement des normes d émission, tout autant que l impératif d économie,poussent à étudier de nouveaux modes de combustion pour les moteurs. L autoallumage decharges homogènes à basse température offre de bonnes perspectives quant au rejet de NOx,suies, et CO2. Cependant son control reste délicat, car il est extrêmement sensible à latempérature et la cinétique de l hydrocarbure. L assistance par plasma hors-équilibre pourraitfournir une solution. Les expériences sont menées dans une MCR avec des mélanges pauvresd isooctane/air et un prototype d allumeur Renault. La combustion obtenue identifiée commeSICI se déroule en deux phases: la propagation d une flamme comprime les gaz restantjusqu à leur autoallumage. Le réchauffement du système expérimental est intégré dans leprotocole d exploitation, afin de quantifier l effet SICI relativement à l autoallumage pur.L effet du plasma semble avant tout dépendre de l énergie déposée, bien qu il convergerapidement, quel que soit l avance du déclenchement. Le comportement asymptotique à hauteénergie s explique par la thermalisation des filaments, soulignée par comparaison avec l effetSICI d un arc classique. A l inverse, le seuil minimal d énergie nécessaire semble lié à lacapacité à générer un noyau de flamme viable, rapprochant le phénomène d un problèmeclassique d allumage en conditions difficiles. La propagation de la flamme détermine ledéclenchement de l autoallumage selon une caractéristique linéaire particulièrementremarquable, car indépendante des conditions thermodynamiques du mélange. L existenced une flamme froide est mise en avant par des acquisitions de PLIF formaldéhyde. Lapréréaction semble accélérer la propagation du front de flamme.Emission standards tightening as well as economical needs urge to study newcombustion modes for engines. Low-temperature homogeneous charge auto-ignition offersgood prospects for NOx, soot, and CO2 emissions. However, its control remains sharp for it isextremely influenced by temperature and fuel chemistry. Assisting non-equilibrium plasmascould provide a solution. Experiments are RCM managed with lean isooctane/air mixtures andprototype Renault ignition devise. Combustion occurs in a two steps mode known as SICI:flame propagation compresses the remaining gas to auto-ignition. The experimental settemperature rise is computed in order to measure the SICI effect compared to pure autoignition.The plasma seems to act mainly through the energy dropped, albeit its effect quicklyreaches a maximum, no matter how early it starts. This asymptomatic high energy behaviorrelies on the streamers overheating, as underlined by the look-like SICI effect from a regulararc discharge. On the contrary, minimal required energy appears to be linked to the capabilityof generating a sustainable flame kernel, making it closer to a standard ignition issue in roughconditions. Flame propagation sets auto-ignition start, according to an astonishingly linearcharacteristic not even influenced by charge s thermodynamic conditions. Cool flame is putforward through formaldehyde PLIF imaging. Prereaction seems to enhance front propagationspeed.POITIERS-ENS Mécanique Aérot (860622301) / SudocSudocFranceF

Effects of low temperature heat release on the aerodynamics of a flat piston rapid compression machine: Impact on velocity and temperature fields

International audienceHomogeneous Charge Compression Ignition (HCCI) and Spark Induced Compression Ignition (SICI) of a lean iso-octane air mixture are investigated through simultaneous measurements of planar laser-induced fluorescence at 355 nm and high-speed chemiluminescence in the parallelepipedic combustion vessel of a rapid compression machine (RCM). A radiofrequency igniter with a high energy deposit (305 mJ) is used to investigate the SICI combustion phenomena in lean conditions (Φ = 0.5), relatively close to the frontiers of the SICI regime. Fluorescence images enable to monitor both the development of the cool flame process and the topology and dynamics of reaction fronts during the second stage of ignition. The results are first analyzed from a phenomenological point of view, bringing insights into the understanding of the both HCCI and SICI combustion processes as they take place in the RCM. Additional data are gathered from double-pulse 355 nm PLIF imaging, with focus on the temporal evolution of the cool flame and on the reaction front propagation during hot ignition. From a more quantitative point of view, an analysis of apparent velocities of the reaction zones is then presented, and large variations of these values are observed depending on the experimental conditions. These local quantities are closely related to the global heat release rate which is a key parameter for practical applications of HCCI and SICI combustion modes. The proposed simultaneous diagnostics finally lead to a better understanding in the local reaction modes, namely deflagration, spontaneous ignition fronts and bulk auto-ignition -- e.g. volumetric auto-ignition -, which are implied in the combustion processes. The results highlight the complex aerothermal interactions taking place in the RCM vessel, in particular through the pre-ignition thermal stratification. The results suggest the latter strongly affects the HCCI combustion process, but also drives the heat release rate during the second stage of the SICI combustion mode. Furthermore, deflagration fronts are found to be significantly affected by cool flame chemistry, as well as by the large and small scale structures of the fluid flow

Experimental burning velocities of ethanol-water-air at elevated pressure and temperature

International audienceAnhydrous ethanol can be considered as one of the main alternatives to replace fossil fuels. However, the removal of water consumes the greatest fraction of the energy necessary for its production. Thus, the use of hydrous ethanol arises from a new fuel possibility and it has been successfully tested in a device such as a spark-ignition engine. For this reason, there is a need for the determination of fundamental properties of the ethanol-water-air mixtures. There are few experimental works in this area and the majority of them have been carried out in test conditions of pressure up to 1 atm. Thus, the main goal of the present work is to bridge this data gap. For this, the laminar burning velocities and Markstein length of ethanol-water–air flames at water content up to 30% v/v over a range of equivalence ratios from 0.7 to 1.4 up to 5 MPa and 380 and 450 K were experimentally determined. The method used was a constant volume bomb method with a central ignition. The results were compared to literature data and with predictions carried out with CHEMKIN-PRO using the three different kinetic mechanisms. In general, the results of the mechanisms lead to an overprediction in relation to the experimental results, though all of them predicted the burning velocity peaks at an equivalence ratio close to 1.1, which agreed with the experiments. The experiments conducted that increased water content of water fuel mixtures have a tendency to remain stable under a stretch influence. Also, it is possible to observe a linear relationship describing the influence of the diluent on the laminar burning velocity

Analysis of ECN spray A ignition in a Rapid Compression Machine using simultaneous OH* chemiluminescence and formaldehyde PLIF

The canonical diesel spray A is characterized in an optical Rapid Compression Machine (RCM) at high temperature and density conditions (900 K and 850 K, ρ = 23 kg/m3) using simultaneous high-speed OH* chemiluminescence and two-pulse 355 nm Planar Laser Induced Fluorescence (PLIF). The focus is on the time evolution and the repeatability of the early stages of both cool flame and hot ignition phenomena, and on the time evolution of the fluorescing formaldehyde region in between. In particular, time resolved data related to the cool flame are provided. They show the development of several separated kernels on the spray sides at the onset of formaldehyde appearance. Shortly after this phase, the cool flame region expands at high velocity around the kernels and further downstream towards the richer region at the spray head, reaching finally most of the vapor phase region. The position of the first high temperature kernels and their growth are then characterized, with emphasis on the statistics of their location. These time-resolved data are new and they provide further insights into the dynamics of the spray A ignition. They bring some elements on the underlying mechanisms, which will be useful for the validation and improvement of numerical models devoted to diesel spray ignition