Study of the impact of properties of synthetic fuels on diesel combustion

Abstract

Dans un contexte de recherche de nouveaux modes de combustion propres, la combustionhomogène à allumage par compression HCCI s’inscrit comme une stratégie prometteuse.Cependant, cette combustion est limitée par un niveau élevé de bruit. La recherche descarburants permettant de relaxer cette contrainte constitue l’objectif global de cette étude.Particulièrement, on s’intéresse ici à l’influence de l’Indice de Cétane, de la volatilité et de lacomposition chimique des carburants sur les Délais d’Auto-Inflammation et sur les vitesses decombustion globales évaluées par les taux maximaux d’accroissement de la pression et dudégagement d’énergie apparente. L’étude se base dans un premier temps sur l’analyse d’essaissur banc moteur dans lesquels on a testé plusieurs carburants de synthèse à l’état pur et enmélange avec un Gazole conventionnel. Dans un deuxième temps des essais ont été préparés etréalisés sur Machine à Compression Rapide avec deux configurations en injection directe et enmélange homogène. Les essais Moteur ont permis d’orienter les paramètres expérimentauxciblés sur ce dispositif. D’autre part, pour étudier les régimes de combustion, des mesures dechamps de température locale ont été réalisées en mélange inerte (N2, CO2, Ar) par FluorescenceInduite par Laser avec un traceur Toluène. L’étude montre les limites des paramètres habituelspour caractériser l’adéquation carburant combustion HCCI et propose un nouveau critère basésur la dépendance des délais d’auto-inflammation à la température et à la richesse.Advanced combustion strategies such as Homogeneous Charge Compression Ignition (HCCI)usually enable cleaner combustion with less NOx and Particulate Matter emissions comparedto conventional Diesel combustion. However, these strategies are difficult to implement due todifficulties related to combustion timing and burn rate control. Lately various studies have beenfocusing on extending advanced combustion functioning with new technologies and withsearching fuels properties to enable such combustion modes. This study is focused on theimpact of fuel Cetane Number, volatility and chemical composition on Ignition Delay, HeatRelease Rate and Pressure Rise Rate. The study is based on three complementary experiments.First, several synthetic fuel was tested on a research engine and analysis was focused on theHeat Release Rate. Secondly, experiments on a Rapid Compression Machine were performedto study the auto-ignition phenomena at homogeneous conditions with surrogate fuels (blendsof n-Heptane and Methyl-Cyclohexane). Analysis of the combustion regimes was supported bya study of the temperature field based on a Toluene Laser Induced Fluorescence experiment ininert (N2, CO2, Ar) mixture. Finally, the RCM was adapted to allow direct injection of fuel tostudy the auto-ignition at less homogeneous conditions. Results showed the limits of theconventional fuels properties to describe an adequate fuel formulation for the HCCI combustionmode. A new criterion based on the dependency of ignition delays to temperature and air fuelratio variations is proposed