Etude numérique et expérimentale de l’influence de l’humidité de l'air sur la combustion. Application aux stratégies de réduction d’émissions polluantes et de consommation des moteurs à pistons

摘要

Les moteurs à pistons utilisent en général l’air ambiant comme comburant. Cet air est composé principalement d’azote et d’oxygène mais aussi de vapeur d’eau. La présence de cette vapeur modifie le processus de combustion de façon plus ou moins significative. S’agissant des moteurs, l’addition d’eau modifie les performances et diminue les émissions d’oxydes d’azote. Cependant très peu de travaux traitent de ces effets. Ce travail a donc pour objectif d’étudier expérimentalement et numériquement l’influence de l’humidité de l’air sur la combustion et plus particulièrement sur le fonctionnement des moteurs à pistons. L’approche numérique, menée de front avec l’approche expérimentale, modélise une flamme laminaire de prémélange. L’outil numérique qui a été utilisé est le logiciel de calcul de cinétique chimique COSILAB® pour du méthane et de l’isooctane. L'approche expérimentale utilise deux bancs d'essais. Le premier banc est un brûleur bec Bunsen à fente qui a été entièrement conçu et validé au cours de cette étude afin de mesurer des vitesses de flamme laminaire. Une attention particulière a été portée à la métrologie et à l'estimation quantitative des incertitudes de mesures. Ces mesures obtenues à pression atmosphérique sur ce brûleur, pour une humidité spécifique pouvant atteindre 80 g.kg-1, ont permis de valider les résultats obtenus numériquement. Les calculs ont ensuite été portés à des conditions de pression et température représentatives d'un fonctionnement moteur. Un banc d'essai moteur recherche a été utilisé pour confirmer les tendances observées dans le cas des flammes laminaires. Les résultats obtenus montrent une forte diminution de la vitesse de flamme ainsi que des émissions d'oxydes d'azote lorsque l'humidité augmente. Par exemple pour une humidité spécifique de 110 g.kg-1, la vitesse de flamme chute de 55% et les émissions de NOX chutent de 70%. Les essais au banc moteur ont montré une augmentation de l'avance à l'allumage optimale et des émissions d'hydrocarbures imbrûlés lorsque l'humidité augmente. Ils confirment également la forte diminution des émissions d'oxydes d'azote ; par exemple pour une augmentation de l'humidité de 30 g.kg-1, les NOX baissent de 35%.