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CARBURANTS DU "FUTUR" : L'ENRICHISSEMENT EN HRG
Radu CHIRIACUniversité Politehnica de Bucarest Roumanie
Professeur à la chaire de moteurs à combustion interne
Radu CHIRIAC
CARBURANTS DU “FUTUR” : L’ENRICHISSEMENT EN HRG
Hydrogen Rich Gaz
Plan1. Considérations générales sur l’hydrogène comme vecteur énergétique
2. Technologie de génération du HRG
4. Expérimentations sur HRG en vase clos :compressibilité et caractéristiques de combustion
5. Stratégies possibles pour l’alimentation des moteurs en HRG - admission directe et carburants enrichis
6. Expérimentations sur le moteur à allumage commandé avec injection directe du HRG dans l'admission
3. Caractérisation du HRG
7. Expérimentations sur le moteur à allumage par compression avec un carburant diesel enrichi en HRG
8. Conclusions
Radu CHIRIAC
1. Considérations générales sur l’hydrogène comme vecteur énergétique
•
Pendant les 20 dernières années, la consommation globale de pétrole, charbon et gaz naturel est augmentée respectivement de 22 %, 27 % et 71 %.
Les émissions annuelles de
CO2
issues par combustion des combustibles fossiles sont augmentées de 5,0 à
6,5 milliards de tonnes de
carbone équivalent.
•
La production de l’énergie basée sur des combustibles fossiles n’est pas durable
; quand ces ressources non-renouvelables approchent l’épuisement, leur coût augmente imposant à
grande
échelle la substitution des combustibles.
•
Quelques sources d’énergie qui peuvent répondre à
nos besoins sont disponibles sur Terre
: combustibles fossiles, énergie nucléaire, le vent, l’énergie hydraulique, l’énergie géothermique et l’énergie solaire
...
•
L’énergie fossile est consommée à
une vitesse dépassant celle de la découverte
de nouvelles ressources et la consommation ajoute des gaz à
effet de serre.
•
Il n’existe pas
une seule option à
court et long terme pour la récupération de l’énergie
à l’échelle nécessaire pour anticiper nos futurs besoins. Un mélange de combustibles,
aussi
renouvelables que non-renouvelables, sera nécessaire à
moyen et long terme.
Parmi eux l’hydrogène semble être un porteur d’énergie viable.
Radu CHIRIAC
1. Considérations générales sur l’hydrogène comme vecteur énergétique
Fig. 1.1 Les sources d’énergie, les convertisseurs d’énergie et les applications possibles pour
l’hydrogène
•
L’hydrogène est attractif
du point de vue environnemental. Il brûle sans produire de dioxyde de carbone. Il est dans la nature seulement en combinaison avec d’autres éléments, principalement
avec de l’oxygène.
Il peut être utilisé
comme porteur d’énergie.
•
L’introduction de l’hydrogène comme vecteur d’énergie engendra une évolution majeure dans le secteur énergétique. Des nouvelles technologies
seront nécessaire
dans toute la chaîne d'approvisionnement, de la production
jusqu’à
l’utilisateur final, en
passant par le transport
et la distribution.
Radu CHIRIAC
1. Considérations générales sur l’hydrogène comme vecteur énergétique
•
Pour le moment il y a principalement trois types de barrières technologiques
pour le déploiement rapide économique de l’hydrogène
:
1.
Efficacité
énergétique globale
: production, distribution, utilisation ;2.
Coût des piles à
combustibles, fiabilité
des convertisseurs et leur durée de vie ;
3.
Efficacité, sécurité
et fiabilité
des moyens de stockage
de l’hydrogène pour les systèmes mobiles.
•
Actuellement l'hydrogène n’est pas utilisé
comme vecteur d’énergie
mais principalement comme matière première dans la production chimique, le raffinage du pétrole et dans certaines applications industrielles.
•
En étant utilisé
comme carburant l’hydrogène pourrait couvrir environ 1%
du besoin mondial. La production courante annuelle Européenne d'environ 8 millions de tonnes permettrait d'alimenter 20 millions d'automobiles.
Radu CHIRIAC
Fig. 1.2 Les sources de production de l’hydrogène
1. Considérations générales sur l’hydrogène comme vecteur énergétique
•
Environs 96%
de la production actuelle d’hydrogène est obtenue des combustibles fossiles
et seulement 4% par électrolyse.
•
L’électrolyse basée sur de l’électricité solaire, éolienne et hydraulique
représente
une solution attrayante
pour éviter la génération de dioxyde
de carbone
pendant
le processus de production de l’hydrogène.
•
L’efficacité
de la production dépend des processus et du type de source. L’efficacité
énergétique
des méthodes courantes d’électrolyse est actuellement de 70
à
75%.
Radu CHIRIAC
Fig. 1.3 Les sources principales de la production de l’hydrogène et l’infrastructure associée
1. Considérations générales sur l’hydrogène comme vecteur énergétique
•
Pour l’économie basée sur l’hydrogène beaucoup d'obstacles doivent être surmontés. L’
infrastructure
immense pour la
production le stockage et la distribution
doit
être disponible et avec des coûts réellement compétitifs.
•
La solution d’électrolyse basée sur de l’électricité
solaire, éolienne ou hydraulique
peut présenter
l’avantage majeur de réduire les coûts si les stations d’alimentation en hydrogène sont connectées directement aux usines de production.
Radu CHIRIAC
Tableau 1.1. Les propriétés physico-chimiques des différents carburants
1.
Considérations générales sur l’hydrogène comme vecteur énergétique
•
Un comparatif des propriétés chimiques et physiques fait de l’hydrogène le combustible parfait. Il a :
•
les limites d’inflammabilité
les plus larges, la vitesse de combustion la plus grande, l'énergie d’allumage la plus
faible,
la température de flamme la plus haute,
la distance
d’extinction la plus faible,
le pouvoir calorifique le plus élevé.
•
Malgré
ces "supers" qualités il a aussi des défauts majeurs comme le plus faible contenu énergétique par unité
de volume
et la plus faible masse volumique.
Radu CHIRIAC
Fig. 1.4 Comparaison des exigences en terme de volume du réservoir pour différents carburants
1.
Considérations générales sur l’hydrogène comme vecteur énergétique
•
Ces désavantages posent des problèmes importants dans le cas du véhicule automobile.
•
L'exigence d'une autonomie équivalente aux véhicules actuels
(Diesel et essence) pose de très importants problèmes de stockage.
Radu CHIRIAC
Tableau 1.2 Les caractéristiques des différents systèmes de stockage d’hydrogène
1. Considérations générales sur l’hydrogène comme vecteur énergétique
•
Différents systèmes de production et de stockage embarqués
de l’hydrogène ont
été
développés pour une utilisation dans un véhicule.
•
La solution du reformeur d’essence à
bord du véhicule
a été
prise en considération par quelques constructeurs.
Radu CHIRIAC
Tableau 1.3 Rendement énergétique et taux de compression
1. Considérations générales sur l’hydrogène comme vecteur énergétique
•
Dans l’industrie automobile deux solutions
ont été
développées pour
l’utilisation de l’hydrogène : -
la pile à
combustible, grâce à
son haut
rendement de conversion de l’énergie;-
le moteur à
combustion interne
alimenté
direct à
l’hydrogène.
•
Le moteur à
combustion interne a bénéficié
d’un développement continu et
montre encore des potentialités, comme par exemple, l’augmentation constante du taux de compression.
Radu CHIRIAC
Fig. 1.5 Projet de recherche hydrogène pour un transport
écologique
1. Considérations générales sur l’hydrogène comme vecteur énergétique
•
La production d’hydrogène
est liée à
plusieurs technologies; l’
électrolyse de l’eau, la réformation en vapeurs des hydrocarbures et la conversion de la biomasse en différent gaz ou des gaz de synthèses.
•
Des entreprises majeures
de l'énergétiques et de l'automobiles s'organisent en consortiums
afin d'assurer la
promotion de projets de recherche pour le développement de systèmes de transport à
hydrogène
écologiques.
Radu CHIRIAC
2. Technologie de production du HRG
Fig. 2.1 Schéma global de l’électrolyseur développé
par HTA Inc.
•
La production d’hydrogène par l’électrolyse, en utilisant directement où
indirectement le moteur
comme source d’énergie, a été
une alternative largement étudiée.
•
Il a été
montré
que le mélange H2
/O2
en tant qu’additif
augmente la vitesse de combustion,
conduisant à
des émissions réduites de CO,
et des augmentations de NOx.
•
D'un point de vue énergétique, il a été
trouvé
que l'effet de la production d’hydrogène à
bord
véhicule n’était pas viable
sur tout le champ de fonctionnement du moteur.
Radu CHIRIAC
Fig. 2.2 Spectrogramme de masse du HRG obtenu avec un PerkinElmer
GC-MS Clarus
500 à
SunLabs
de L’Université
Tampa Florida (crêtes à
2, 5, 12, 14, 25, 26, 27 m/z)
•
Le gaz HRG
montre qu’il est très différent dans sa composition chimique du gaz Brown, même si ceux-ci possèdent un certain nombre de caractéristiques similaires.
2.
Technologie de production du HRG
•
Une nouvelle technologie développée et brevetée par HTA Inc. Clearwater Florida a permis d'obtenir un gaz ‘Hydrogen
Rich
Gas’
(HRG)
composé
d'atomes H, O,
des combinaisons H-
O et de molécules H2
, O2
et H2
O.
Radu CHIRIAC
Fig. 2.3 Schéma de la cellule d’électrolyse et du système de mesure
•
Le processus d’électrolyse de l’eau
est difficilement compréhensible et contrôlable quand il est mené
à
de fortes
intensités/tensions
pour l’augmentation de la production de gaz.
•
Une expérience intéressante a été
réalisée par T. Mizuno
et al. de l’Université
de
Hokkaido
afin d’arriver à
une génération continue d’hydrogène par «
Plasma
Electrolysis
in Aqueous
Solution
»
avec des rendements supérieurs au rendement de Faraday.
•
Le processus est contrôlé
par les conditions à
la surface des électrodes, la température de
la solution d’électrolyse, l'intensité
du courant et la tension d’entrée.
2. Technologie de production du HRG
Radu CHIRIAC
Fig. 2.4 Changements de tension (a), courant (b)
et température (c) durant le processus d’électrolyse normale et plasma
•
La tension minimum nécessaire
pour induire l’état de plasma dépend de la densité
et de la température de la
solution. Elle a été
120V
dans le cas de leur étude et la température à
laquelle
plasma se forme a été
estimée à
75°C.
•
Au dessus de 300V, la tension a été ajustée rapidement pour contrôler la
condition du plasma. Il semble que la tension de seuil
entre l’électrolyse
normale et l’électrolyse avec plasma est d’approximativement 100V.
L'intensité
du courant juste avant l’apparition du plasma a été
de 4 A/cm2
à
80 V.
•
Ils ont observé
jusqu’à
80 fois plus d’hydrogène généré
par l’électrolyse
plasma
que par électrolyse conventionnelle à
300 V.
2. Technologie de production du HRG
Radu CHIRIAC
Fig. 2.5 Changement en courant d’ionisation pour hydrogène, oxygène et du rapport O/H pendant
l’expérimentation
•
L’analysé
des masses molaires de 2 à
40 a montré
que l’hydrogène et l’oxygène
sont les éléments principaux du gaz. Les changements dans le courant d’ionisation pour O2
(32) et H2
(2) sont présentés. Par analyse spectrométrique pendant l’électrolyse six crêtes ont été
détectées
,
pour les masse molaires comprises entre 2 et 40 : 2(H2
+), 3(HD+), 4(D2
+), 18(H2
O+), 28(N2
+) et 32(O2
+).
2. Technologie de production du HRG
Radu CHIRIAC
Fig. 2.6 Variations de la quantité
d’hydrogène mesurée par le débitmètre H2
relative à
la quantité
d’hydrogène attendue de la variation courant vs. temps
•
La quantité
d’hydrogène produite a été
mesurée par le débitmètre et une valeur a été
estimée par rapport au courant d’entrée. Les deux valeurs mesurée et calculée concordent jusqu’à
environ 400s.
Après 400s, la quantité
d’hydrogène mesuré
a été
largement supérieure à
la prévision de la loi de Faraday.
•
En conclusion, quand la température devient suffisamment élevée, le gaz est suffisamment chauffé
et il entre en état
de plasma.
2. Technologie de production du HRG
•
Un phénomène similaire peut être parfois associé
même avec le processus
normal d’électrolyse si la tension d’entrée est augmentée ou si de fortes décharges électrostatiques
apparaissent
entre les électrodes.
Radu CHIRIAC
2. Technologie de production du HRG
•
Un système embarqué
d’alimentation en HRG
des moteurs à
essence a été
mis au point au MIT –
le
Plasmatron.
•
Il fonctionne par des décharges électriques produites au sein du mélange gazeux
(vapeurs
d’essence + air) qui le traverse.
•
Le Plasmatron alimenté
électriquement à
faible intensité
du courant (0.1 -
0.4 A) produit le HRG à
la suite d’une réaction d’oxydation
partielle.
Cm Hn + m/2 (O2
+ 3.8 N2
) → m CO + n/2 H2
+ m/2 (3.8N2
)
Fuel TankOnboard
Plasmatron Fuel
Converter
Ultra lean Burn Gasoline
engine
Gasoline(e.g. 25% mass )
Hydrogen-Rich Gas (H2
+CO)
Gasoline(e.g. 75% mass)
Les caractéristiques du Plasmatron
Power W 250
Plasma current A 0.1 - 0.4
Volume Liters 2
Weight kg 3
H2 flow rate sL/m 10 – 200
Efficiency (Q HRG
/Q Fuel
) % 65 - 80
Radu CHIRIAC
2. Technologie de production du HRG
•
L’effet de la présence d’eau dans le Plasmatron a été
étudié
aussi dans le but d’augmenter la
fraction d’hydrogène obtenue par la conversion d’une large quantité
de CO en H2
suivant la réaction du gaz à
l’eau:
CO+H2
O → CO2
+ H2
MIT-Prototype
•
Les résultats de la conversion d’une fraction (10% -30%) d’essence en HRC montrent :-
l’amélioration de la stabilité
du processus de
combustion par l’addition de HRG
et la réduction de la tendance au cliquetis
;
-
l’augmentation ,
jusqu’à
30%
, du rendement global du moteur ;-
la possibilité
d’utilisation de mélanges très
pauvres
;-
la possibilité
d’associé
des taux de
compression élevés et la suralimentation
dans le cas de downsizing.
Radu CHIRIAC
3. Caractérisation du HRG
•
Selon MSDS Aquygen
-Gen1, le Gaz Riche en Hydrogène (HRG) est apparemment un mélange d’hydrogène moléculaire (H2
), oxygène moléculaire (O2
) et d’autres composés contenant de l'hydrogène et de l'oxygène comme le H2
O. Le gaz est obtenu à
partir de l’eau en utilisant un procédé
breveté
et développé, par HTA INC. Clearwater Florida.
•
La composition du gaz est différente de celle des autres types des gazes, similaires
Brown Gaz et Rhode
Gaz. Les analyses physiques GC-MS et FTIR du HRG ont établi une présence
d’hydrogène pur de 64-67% par fraction volumique, d’oxygène
de 31-33%
et 0-5% d’autres espèces, combinaisons d’hydrogène et oxygène.
•
Ce gaz inodore a une limite inférieure d’inflammabilité
comprise entre 7,3% et 8,7%
et la limite supérieure d’inflammabilité
de 100%
selon ASTM E681.
•
La masse moléculaire du HRG est de 12,3 g/mol, et la densité
relative est de
0,426 rapportée à
la densité
de l’air.
•
Sa masse volumique standard
(101325 Pa, 298 K) est 0,503 kg/m3
•
Pour toutes les expériences présentées ultérieurement le HRG a été
produit par le générateur RAI 1500 qui
a été
réalisé
par RAI Srl
Bucarest sous licence HTA.
•
Selon ASTM E659 la température d' auto-inflammation est de 597-610 ºC.
Radu CHIRIAC
4. Expérimentations sur le HRG en vase clos : compressibilité et caractéristiques de combustion
Fig. 4.1 L’équipement d'essai de compressibilité: Cylindre pneumatique et accumulateur hydraulique
•
Des recherches ont été
effectuées pour caractériser le HRG du point de vue: compressibilité,
vitesse
de combustion et de tendance à
l'explosion.
Les expérimentations ont été
effectuées dans des
conditions de
pressions maximum 50 bar et températures maximum 250 ºC,
similaires aux
applications industrielles.
•
L’installation expérimentale a permis des essais de compression jusqu'à
60 bar. Il a été
enregistré
en continu les paramètres du HRG pour différents régimes de compression, ceux-ci étant obtenus par le contrôle du déplacement et de la vitesse du piston.
Radu CHIRIAC
Fig. 4.2 Cycles de compression rapide et lent à
une pression initiale 10 bar pour une pression finale de 32 bar et 54 bar
8
12
16
20
24
28
32
20 40 60 80 100 120 140 160 180
Time[s]
Pres
sure
[bar
]
8
16
24
32
40
48
56
20 40 60 80 100 120 140 160 180
Time[s]
Pres
sure
[bar
]
•
Les tests de compression du HRG à
vitesse réduite et
température ambiante
n’ont pas produit
de condensation du gaz
ou d'humidification des parois métalliques du cylindre pour différents
pressions initiales de 1-10 bar et pressions finales de18-54 bar.
•
Les cycles compression/détente du HRG aux fréquences de 0.2 à
10 Hz ont montrés aucune anomalie
du gaz pour durées supérieures à
3 minutes. Pour tous les cycles de compression le
HRG n’a pas eu aucune tendance à
l'explosion.
4. Expérimentations sur le HRG en vase clos : compressibilité et caractéristiques de combustion
Radu CHIRIAC
Fig. 4.3 Enregistrements de la pression et de la température vs. temps
•
Des expériences ont été
réalisées dans une cellule cylindrique de volume 1litre,
chauffée électriquement
pour déterminer les limites pression-température d’auto-allumage
du HRG.
•
Elles ont été
réalisées pour simuler le comportement du HRG en applications chimiques industrielles comme l’hydrogénation des carburants.
4. Expérimentations sur le HRG en vase clos : compressibilité et caractéristiques de combustion
300
350
400
450
500
550
600
12:57:36 13:00:29 13:03:22 13:06:14 13:09:07 13:12:00 13:14:53 13:17:46
Curent Time
Tem
pera
ture
[°C
]
9
9.5
10
10.5
11
11.5
12
Pres
sure
[bar
]Thermocouple T1 Thermocouple T2 Industrial Pressure Sensor
Autoignition onset
•
La cellule a été
prévue avec deux capteurs de pression
pour
les mesures quasi-statiques et dynamiques et deux thermocouples
pour la
température.
Radu CHIRIAC
Fig. 4.4 Détail du signal de pression vs. temps pour trois pressions initiales différentes
0
40
80
120
160
28 29 30 31 32 33Time [ms]
Pres
sure
[bar
]
Initial pressure = 5bar Initial pressure = 4bar Initial pressure = 3bar
Initial pressure
Initial Pressure [bar]
Initial Temperature [ºC]
Auto-ignition Pressure (transversal plan) [bar]
Auto-ignition Temperature[ºC]
Maximum Pressure (longitudinal axe) [bar]
5 18.50 11.1 442.61 179.55 4 18.44 9.1 449.04 126.24 3 19.65 8.3 460.08 73.94 2 18.80 7.3 470.59 60.24
•
Les limites d’auto-allumage sont très élevées
compte du fait que la teneur en oxygène du HRG est presque similaire
à
celle du mélange stœchiométrique H2
-O2
.
•
L'étude de compressibilité
et d’auto- allumage du HRG
montre que : les
températures et pressions d’auto- inflammation sont supérieures à
celles
utilisées dans les procédés d'hydrogénation, offrant ainsi des perspectives optimistes pour une hydrogénation des carburants pétroliers
et
des huiles végétales.
4. Expérimentations sur le HRG en vase clos : compressibilité et caractéristiques de combustion
Radu CHIRIAC
Fig. 4.5 Bombe calorimétrique : schéma de principe de l'installation d'essaiInstrumentation et systèmes de régulation des gaz
•
Une autre étude
a été
réalisée pour préciser les caractéristiques de la combustion du HRG. La vitesse de la flamme laminaire
est un paramètre important qui contrôle le dégagement de
chaleur en espaces confinés conduisant à
l’explosion.
4. Expérimentations sur le HRG en vase clos : compressibilité et caractéristiques de combustion
Radu CHIRIAC
Fig. 4.6 Le schéma du système optique
•
La bombe calorimétrique
utilisée dans cette étude a été
aussi cylindrique et a une capacité interne de 0.146 litres. Elle est conçue pour résister à
des pressions de 150 bar
et possède
deux fenêtres en quartz, de diamètre 95 mm et d’épaisseur 50 mm, placées aux extrémités opposées de la bombe.
•
La variation dynamique de la pression à
l’intérieur de la bombe a été
mesurée par un capteur piézo-électrique.
•
Une vue d’ensemble sur le processus de combustion
et une vérification du modèle de calcul pour la vitesse de combustion ont été
obtenues par l'enregistrement des positions successives
du front de la flamme
par la technique de visualisation de Schlieren.
4. Expérimentations sur le HRG en vase clos : compressibilité et caractéristiques de combustion
Radu CHIRIAC
Fig. 4.7 Le système expérimental pour la détermination de la vitesse de la flamme laminaire
•
La symétrie sphérique et le centrage du front de la flamme
ont été
vérifiés avec quatre sondes d’ionisation
distribuées uniformément autour du périmètre dans le plan médian de la bombe.
4. Expérimentations sur le HRG en vase clos : compressibilité et caractéristiques de combustion
Radu CHIRIAC
Fig. 4.8 Propagation du front de flamme pendant la combustion
laminaire d’un mélange stoechiométrique H2
-O2
.Fréquence des images 61 kHz,
pression initiale 2 bar.
•
Par une comparaison des enregistrements à
grande vitesse
(échantillonnage à
61 kHz) des images de propagation pour le mélange stœchiométrique H2
-O2
et le HRG, il a été
vérifiée la forme sphérique
du front de la flamme.
•
L’analyse des images a permis la définition des étapes du processus de combustion en identifiant la phase de la flamme laminaire
en association
avec le diagramme de pression.
4. Expérimentations sur le HRG en vase clos : compressibilité et caractéristiques de combustion
Fig. 4.9 Propagation du front de flamme pendant la combustion
laminaire du HRG.
Fréquence des images 61 kHz, pression initiale 2 bar.
Radu CHIRIAC
•
La vitesse de la flamme laminaire peut être déterminée
par calcul, à
partir des valeurs des pressions instantanées dans la bombe calorimétrique, sur la base de la ‘loi cubique’
qui
permet une corrélation entre l’augmentation de la pression
de combustion à
volume constant Δp et le temps
à
partir du début de l’allumage t.
33
0 tVS
Kpp u=Δ
•
Cette méthode a été
considérée simple et adéquate
pour l’étude comparative entre le mélange stœchiométrique hydrogène -
oxygène et le HRG.
•
Il a été
considéré
que le processus de la combustion laminaire commence
à
partir de l'initiation de la décharge électrique
et finit lorsque le front de la flamme touche pour la
première fois les parois de la bombe.
•
Dans cet intervalle de temps, il n’existe pas d'effets aux parois
qui peuvent influencer le développement de la flamme laminaire.
4. Expérimentations sur le HRG en vase clos : compressibilité et caractéristiques de combustion
Radu CHIRIAC
Fig. 4.10 Tension de décharge électrique et signal de pression vs temps, pour la combustion du mélange stœchiométrique H2
-O2a) Signal de pression original b) signal de pression lissé
-3.5
-3.0
-2.5
-2.0
-1.5
-1.0
-0.5
0.0
0.5
1.0
0.25 0.50 0.75 1.00 1.25
Time [ms]
Hig
h vo
ltage
[kV]
-20.0
-10.0
0.0
10.0
20.0
30.0
40.0
50.0
60.0
70.0
Pres
sure
[bar
]
High voltage discharge H2/O2 pressure
1.5
2
2.5
3
3.5
4
4.5
0.5 0.55 0.6 0.65 0.7 0.75 0.8 0.85
Time [ms]
Pres
sure
[bar
]
Pres reduced Pres Bernstein Pres Cubic model
a) b)
•
Les diagrammes mettent en évidence les signaux de pression lissés, à
l’aide de polynômes d’interpolation Bernstein, et par le modèle associé
à
la ‘loi cubique’
pour le mélange
stœchiométrique H2
-O2
.
4. Expérimentations sur le HRG en vase clos : compressibilité et caractéristiques de combustion
Radu CHIRIAC
-3.5
-3.0
-2.5
-2.0
-1.5
-1.0
-0.5
0.0
0.5
1.0
0.00 0.25 0.50 0.75 1.00
Time [ms]
Hig
h vo
ltage
[kV]
0.0
4.0
8.0
12.0
16.0
20.0
24.0
28.0
32.0
36.0
Pres
sure
[bar
]
High voltage discharge HHO pressure
1.5
2.0
2.5
3.0
3.5
4.0
4.5
0.25 0.3 0.35 0.4 0.45 0.5 0.55 0.6Time [ms]
Pres
sure
[bar
]
Pres red Pres Bernstein Pres Cubic model
a) b)
•
Les durées de la combustion laminaire
jusqu’à
4bar
(2 fois p0
) sont de 0.27 ms
pour H2
-O2
stœchiométrique
et 0.3 pour le HRG, soit respectivement des vitesses de 11 m/s et de 10.46 m/s.
•
Les caractéristiques de la combustion laminaire des deux gaz sont pratiquement identiques, mais avec une activité
chimique plus réduite pour le HRG.
4. Expérimentations sur le HRG en vase clos : compressibilité et caractéristiques de combustion
Fig. 4.11 Tension de décharge électrique et signal de pression vs temps, pour la combustion du HRG a) Signal de pression original b) signal de pression lissé
Radu CHIRIAC
5. Stratégies possibles pour l’alimentation des moteurs en HRG - admission directe et carburants enrichis
•
Les caractéristiques de combustion imposent des défis techniques quand le moteur fonctionne à
des charges élevées
à
cause de la tendance à
l'auto-inflammation
des mélanges hydrogène-
air
cela représentant une caractéristique spécifique du moteur.
•
La capacité
des moteurs à
combustion interne alimentés par hydrogène de brûler de façon propre et de fonctionner efficacement
est déterminée par les caractéristiques de combustion
de l’hydrogène.
•
Les moteurs habituels à
combustion interne d’hydrogène par pré-mélange ou injection souffrent d'une perte de rendement volumétrique
du fait de l'introduction dans l'air
d'admission de grands volumes d’hydrogène.
•
D’autres caractéristiques moteurs sont fonction de la chaleur de combustion
qui est de 3.37MJ/kg pour un mélange stœchiométrique hydrogène-air
et de 2.83MJ/kg pour un
mélange stœchiométrique essence-air. Ainsi la puissance spécifique d'un moteur à
hydrogène avec pré-mélange ou injection, est d’environ 83%
par rapport à
un moteur identique
fonctionnant avec de l’essence. Cependant à
pleine puissance cette valeur est réduite de 72% à
50%
du fait de l'auto-inflammation.
Radu CHIRIAC
Fig. 5.1 Images moyennes d’ensemble de l’OH* chimiluminescence prises pour trois stratégies d’injection et la même richesse carburant-air 0.6
: (a) pré-melangé, 9 (DRV) après l’étincelle, (b) injection directe avancée, -
DI à
FSA-9 (DRV) après l’étincelle et (c) injection directe retardée –
DI –
30 DRV avant l’étincelle -
11 (DRV) après l’étincelle
. L’intensités de l’OH* augmentent en linéarité
de bleu au vert et au rouge. Les images ont été
prises par une fenêtre de quartz en piston (r-θ
plane). Les cercles intérieur et extérieur correspondent au diamètre de la fenêtre de quartz et respectivement au l’alésage. L’étincelle est placée approximativement au centre de l’image et l’injecteur est placé
90°
en sens anti-horaire de la partie supérieure de l’image
(a) (b) (c)
•
Une analyse expérimentale et numérique a été
réalisée au Sandia
National Laboratories
CRF (Combustion Research
Facility)
sur les processus se déroulant dans le cylindre des moteurs a
combustion interne d’hydrogène (DI-H2
ICE).•
Les intensités symétriques des OH* chimiluminescence observées dans la Fig.5.1(a) indiquent une distribution homogène de H2
dans le cylindre.
5. Stratégies possibles pour l’alimentation des moteurs en HRG - admission directe et carburants enrichis
Radu CHIRIAC
Fig. 5.2 Le système expérimental réalisé
pour l’alimentation par induction directe HRG d’un moteur à
allumage commandée
•
En tenant compte de ces résultats, du manque de fournisseurs d’injecteurs HRG et des questions de sécurité
imposées par la combustion de HRG, la solution la plus simple choisi
par les auteurs pour le moteur à
allumage commandé
a été
l’induction directe de HRG, obtenu à
l’aide d’un électrolyseur, dans la chambre de mélange
du système d’alimentation avec un
contrôle manuel réalisé
avec des régulateurs de pression, des résistances thermiques et des débitmètres.
5.
Stratégies possibles pour l’alimentation des moteurs en HRG - admission directe et carburants enrichis
Radu CHIRIAC
•
Une autre stratégie employée
par les auteurs pour la réalisation de l’alimentation par HRG des moteurs, a été
l’utilisation d’une technologie
similaire à
celle utilisée dans l’élimination du soufre
dans le processus de raffinage du pétrole.
Fig. 5.3 L’installation pilote du stand de mélange carburants-HRG
•
Par procédées de hydrotraitements les matières premières aromatiques lourdes sont converti dans des produits plus légers
à
des pressions
très élevées sur une plage importante (65- 130bar)
et à
des températures assez élevées
(400°-800°C),
dans la présence de l’hydrogène et des catalyseurs spécifiques.
•
L’HRG qui semble d’être un composé
complexe contenant H2
. Une technologie pilote de mélange a été
développée par ROKURA Aplicatii
Industriale
pour l’après-traitement des carburants comme l’essence/diesel avec le HRG.
5. Stratégies possibles pour l’alimentation des moteurs en HRG - admission directe et carburants enrichis
Radu CHIRIAC
Tableau 5.1 L’analyse chimique de l’essence
Comp. Gasoline-PETROM base Gasoline PETROM-HRG treated C3 0.01 traces
i-C4 0.08 0.07 n-C4 0.36 0.34 i-C5 15.04 14.6 n-C5 1.15 1.14
2,2-DMC4 0.65 0.67 CC5+MTBE 2.29 2.53 2,3-DMC4 0.74 0.76
2-MC5 2.73 2.8 3-MC5 1.52 1.55 n-C6 1.57 1.56
MCC5 1.08 1.09 CC6 0.13 0.11
MCC6 0.29 0.29 Σ(C4-C6) 6.45 6.5 Σ(iC7+C7) 4.75 4.81
n-C7 1.4 1.41 Benzene 0.79 0.8 Toluene 10.16 10.17
Et. benzene 2.95 2.93 (p+m) xylene 9.47 9.47 i-p benzene 0.28 0.28 n-p benzene 0.89 0.89
o-xylene 3.68 3.68 (p+m) et. toluene 3.44 3.45
o-et. toluene 0.88 0.88 1,3,5-TMBz 1.06 1.07 1,2,4-TMBz 3.81 3.83 1,2,3-TMBz 1.24 1.25
ΣArom. gr. C9+ 7.09 7.18 ΣC8+ 12.23 11.96
TAME 1.79 1.93 Total 100 100
Mol. weight 99.0714 99.0669 ρN 4.42007 4.41987 gC 0.85210 0.85234
gO2 0.05196 0.04763 gH2 0.09593 0.10002
h/c ratio 0.11258 0.11734
•
Cette technologie consiste dans le passage continu du carburants et à
la fois du HRG à
travers un dispositif de mélange
liquide-gaz développé
par Sulzer Chemtech
en présence des
catalyseurs sur base de Ni ou Ru aux températures 20°-100°C, pressions 1-20 bar
et
0.2-8 h
durée de contact liquide-gaz.
•
Les combustibles traités
avec du HRG ont enregistré
des compositions chimiques
légèrement différentes par rapport aux originaux avec une augmentation du contenu d’hydrogène de 2-4%
comme obtenu lors de l’analyse
chimique, Tableau 5.1
5. Stratégies possibles pour l’alimentation des moteurs en HRG - admission directe et carburants enrichis
Radu CHIRIAC
Fig. 5.4 Les spectrogrammes de l’essencea) original PETROM, b) essence PETROM-HRG traitée
•
Les modifications chimiques
ont été
mises en évidence par l’analyse spectroscopique des carburants en infrarouges
qui montre des changements importants dans la forme et
l’amplitude.
5. Stratégies possibles pour l’alimentation des moteurs en HRG - admission directe et carburants enrichis
a)b)
a)
b)
Radu CHIRIAC
Fig. 5.6 Un chromatographie TIC du même carburant diesel commercial-HRG traité
fait à
Southwest
Reasearch
Institut
Fig. 5.5 Une chromatographie TIC d’un carburant diesel commercial fait à
Southwest
Reasearch
Institut
•
Des mesures comparatives, comme le point éclair,
l’index diesel
la chromatographie et la spectrométrie de masse
réalisées pour les combustibles diesel traités avec du gaz HRG ont
révélé
des modifications de la structure chimique déterminées par une possible interaction entre le diesel et le gaz HRG.
•
Même si la forme des chromatogrammes ressemble
il est évidemment qu’elles ne sont pas différentes en nombre des peaks
et leur position, mais dans leur amplitude qui suggère la
présence d’une interaction entre le carburant diesel et le HRG.
5. Stratégies possibles pour l’alimentation des moteurs en HRG - admission directe et carburants enrichis
Radu CHIRIAC
Fig. 6.1 Le système d’alimentation en HRG du moteur à
allumage commandée
Tableau 6.1 Les spécifications du moteur à
allumage commandé
6. Expérimentations sur le moteur à allumage commandé avec injection directe du HRG en admission
•
Les expérimentations ont été
effectuées sur un moteur à
allumage commandé
quatre temps, quatre cylindres (Tab. 6.1) sur un banc d'essai muni d'un frein électrique à
courants Foucault.
•
Le moteur a été
alimenté
avec une essence normale 95 RON
et le gaz HRG a été
introduit dans la chambre de mélange du carburateur comme additif
à
une pression absolue de 2 bar, la
richesse a été
maintenue constante
par un système en boucle ouverte.
•
La position du papillon
a été
convenablement ajustée pour garder la même pression dans le conduit d’admission
que dans le cas d'une
alimentation uniquement en essence.
Number of cylinders 4
Displaced volume, dm3 1.397
Bore ×
Stroke, mm 76 ×
77
Compression ratio 9.5
Combustion chamber geometry Wedge
Radu CHIRIAC
Fig. 6.2 Influence de l'injection de HRG sur le rendement effectif du moteur pour différentes avances à
l’allumage (faible charge, bas régime 1600 tr/min et richesse 0.92-0.94)
15.00
15.50
16.00
16.50
17.00
0 20 40 60 80
H2 volumetric fraction [%]
Bra
ke e
ffic
ienc
y [%
]
Optimum values Fig. 6.3
15.00
15.50
16.00
16.50
17.00
12 16 20 24 28 32 36
Spark advance ºCA BTDC
Bra
ke e
ffic
ienc
y [%
]
Gasoline Gasoline-HRG gas 300 Gasoline-HRG gas 500Gasoline-HRG gas 700 Gasoline-HRG gas 850
Fig. 6.2
Fig. 6.3 Influence de la fraction volumique d’hydrogène sur le rendement effectif du moteur pour les avances optimales à
l’allumage (faible charge, bas régime 1600 tr/min et richesse 0.92-
0.94)
•
Un premier groupe d'essais a été
effectué
à
faible charge, régime 1600 tr/min
et richesse
0.92- 0.94
(avec la contribution de O2
du HRG incluse) caractéristique d'un fonctionnement en régime urbain.
•
L’introduction de HRG entraîne une augmentation du rendement effectif du moteur avec un maximum, gain de 7.4 % par rapport à
l'essence, pour un débit de HRG de 300 l/h soit une
fraction volumique hydrogène-carburant d'environ 50%.
Au delà
de cette valeur le rendement chute rapidement.
6. Expérimentations sur le moteur à allumage commandé avec injection directe du HRG en admission
Radu CHIRIAC
Fig. 6.4 Influence de la fraction volumique d’hydrogène sur la pression moyenne indiquée NIMEP (faible charge, bas régime 1600 tr/min, richesse 0.92-0.94 et avances optimales d’allumage)
Fig. 6.5 Influence de la fraction volumique d’hydrogène sur la dispersion cyclique (COV)NIMEP(faible charge, bas régime 1600 tr/min, richesse 0.92-0.94 et avances optimales d’allumage)
2.80
2.95
3.10
3.25
3.40
0 20 40 60 80
H2 volumetric fraction [%]
NIM
EP [b
ar]
Optimum values Fig. 4
1.20
1.35
1.50
1.65
1.80
0 20 40 60 80
H2 volumetric fraction [%]
(CO
V)N
IMEP
[%]
Optimum values Fig. 5
•
De la même manière la pression moyenne indiquée (NIMEP) augmente de 5.6%.
•
L’effet bénéfique de l’apport du HRG
déterminé
par l’augmentation de la fraction volumique d’hydrogène est visible aussi sur la dispersion cyclique
de la pression moyenne indiquée
(COV)NIMEP
par l'abaissement de celle-ci
aux avances optimales.
•
Le niveau de (COV)NIMEP
est évidement caractéristique d'un mélange carburant-air léger riche mais, par l’apport du HRG réduit encore cette dispersion cyclique.
6. Expérimentations sur le moteur à allumage commandé avec injection directe du HRG en admission
Radu CHIRIAC
Fig. 6.6 Effet de la fraction volumique d’hydrogène sur les durées de la phase initiale et de la phase principale de la combustion (faible charge, bas régime 1600 tr/min, richesse 0.92-0.94, avances optimales à
l’allumage)
18.00
19.50
21.00
22.50
24.00
0 20 40 60 80
H2 volumetric fraction [%]
DA
I 0-1
0% [º
CA
]
18.00
19.50
21.00
22.50
24.00
DA
I 10-
90%
[ºC
A]
Optimum values Fig. 6
•
Le comportement complexe de l’hydrogène
dans le domaine des petites fractions volumiques est suggéré
par son influence sur la phase initiale de la combustion.
•
L’effet positif sur la dispersion cyclique peut être corrélé
avec l’influence sur la
durée de la phase initiale de la combustion DAI 0-10%.
Cette réduction d’environ
15%
est en bonne corrélation avec la diminution de la dispersion cyclique enregistrée précédemment.
•
L’effet sur la durée de la phase principale de combustion rapide DAI 10-90%
déterminé
par l’injection du HRG n’est pas assez évident.
•
L'accroissement de la fraction volumique H2
engendre une diminution de la durée totale de combustion associée à
une réduction de la dispersion cyclique. Cette amélioration de la
combustion explique cette influence positive sur la pression moyenne indiquée et sur le rendement effectif moteur.
6. Expérimentations sur le moteur à allumage commandé avec injection directe du HRG en admission
Radu CHIRIAC
Fig. 6.8 Iinfluence
de la fraction volumique d’hydrogène sur les émissions de HC et NOX(faible charge, bas régime 1600 tr/min, richesse 0.92-0.94, avances optimales à
l’allumage)
1.95
2.45
2.95
3.45
3.95
0 20 40 60 80
H2 volumetric fraction [%]
HC
[g/k
W]
1.50
2.50
3.50
4.50
5.50
NO
x [g
/kW
h]
HC NOx
Fig. 8Optimum values
•
L’effet positif sur le rendement effectif
favorisé
par une substitution partielle de l’essence par le HRG
se traduit aussi par une baisse correspondante d'émission de CO2
tandis que l’émission de CO reste pratiquement inchangée
du fait d'un manque relatif d’oxygène.
80
110
140
170
200
0 20 40 60 80
H2 volumetric fraction [%]
CO
[g/k
W]
800
925
1050
1175
1300
CO
2 [g
/kW
h]CO
CO2
Fig. 7Optimum values
Fig. 6.7 Influence de la fraction volumique d’hydrogène sur les émissions de CO et CO2(faible charge, bas régime 1600 tr/min, richesse 0.92-0.94, avances optimales à
l’allumage)
•
L’effet sur les émissions de NOX est faible
mais il existe une tendance d’accroissement
aux fractions volumiques d’hydrogène élevées ; l’effet du HRG sur les émissions de HC
est par
contre similaire à
l’effet d’hydrogène sur la dispersion cyclique avec une tendance de régression aux valeurs supérieures
des fractions volumiques H2
.
6. Expérimentations sur le moteur à allumage commandé avec injection directe du HRG en admission
Radu CHIRIAC
Fig. 6.9 Influence de l’addition du HRG sur le rendement effectif du moteur pour différentes avances à
l’allumage (faible charge, bas régime 1600 tr/min et richesse 1.18-1.20)
Fig. 6.10 L’influence de la fraction volumique d’hydrogène sur le rendement effectif du moteur pour les avances optimales à
l’allumage (faible charge, bas régime 1600 tr/min et richesse 1.18-1.20)
11.00
12.25
13.50
14.75
16.00
22 27 32 37 42Spark advance ºCA BTDC
Bra
ke e
ffici
ency
[%]
Gasoline Gasoline-HRG gas 300 Gasoline-HRG gas 500Gasoline-HRG gas 700 Gasoline-HRG gas 900 Gasoline-HRG gas 1200
Fig. 6.9
c
11.00
12.25
13.50
14.75
16.00
0 20 40 60 80 100 H2 volumetric fraction [%]
Bra
ke e
ffici
ency
[%]
Optimum values Fig. 6. 10
•
Un impact plus fort de l'injection directe du HRG
est visible pour les essais effectués au même régime de fonctionnement mais avec des mélanges pauvres à
la richesse 1.18-1.20
proche de la limite de fonctionnement en essence.
•
Sous certaines conditions l’effet d’amélioration de la combustion par la présence de l’hydrogène du HRG devient plus prononcée
; le rendement effectif du moteur augmente
presque de 23% pour 50%
fraction volumique d’hydrogène.
6. Expérimentations sur le moteur à allumage commandé avec injection directe du HRG en admission
Radu CHIRIAC
Fig. 6.11 L’influence de la fraction volumique d’hydrogène sur la pression moyenne indiquée NIMEP (faible charge, bas régime 1600 tr/min, richesse 1.18-1.20 et avances optimales d’allumage)
Fig. 6.12 L’effet de la fraction volumique d’hydrogène sur la dispersion cyclique (COV)NIMEP(faible charge, bas régime 1600 tr/min, richesse 1.18-1.20 et avances optimales d’allumage)
•
Un accroissement important de presque 10%
de la pression moyenne indiqué
pour 50%
de fraction volumique H2
et de plus 17% pour 85%
fraction H2
.
0.00
7.00
14.00
21.00
28.00
0 20 40 60 80 100
H2 volumetric fraction [%]
(CO
V)N
IMEP
[%]
Fig. 12Optimum values
2.50
2.75
3.00
3.25
3.50
0 20 40 60 80 100
H2 volumetric fraction [%]
NIM
EP [b
ar]
Fig. 11Optimum values
•
En mélanges pauvres essence
la dispersion cyclique est vraiment élevée avec une valeur du coefficient (COV)NIMEP
= 25.7%
évidemment inacceptable pour un fonctionnement normale
à cause de la détérioration de la combustion. L’action favorable de l’hydrogène se traduit par une
diminution de 75% à
70% fraction H2
. Pour une fraction volumique H2
de 50%
ce coefficient atteint déjà
la valeur acceptable de 9.3%.
6. Expérimentations sur le moteur à allumage commandé avec injection directe du HRG en admission
Radu CHIRIAC
Fig. 6.13 Effet de la fraction volumique d’hydrogène sur les durées de la phase initiale et de la phase principale de la combustion (faible charge, bas régime 1600 tr/min, richesse 1.18-
1.20 et avances optimales d’allumage)
21.00
26.00
31.00
36.00
41.00
0 20 40 60 80 100
H2 volumetric fraction [%]
DA
I 0-1
0% [º
CA
]
12.00
14.50
17.00
19.50
22.00
DA
I 10-
90%
[ºC
A]
Fig. 13Optimum values
•
L’effet de l'HRG
en fonction de l’augmentation de la fraction volumique d’hydrogène devient plus prononcé
et permanent pour les durées des deux phases de combustion.
•
Pour 50% fraction volumique H2
la durée de la phase initiale DAI 0-10% baisse de 33%
et la durée de la phase principale DAI
10-90% baisse de 31.5%.
•
L’importance de la réduction des durées de combustion associée à
la réduction de dispersion cyclique peut expliquer les effets favorables sur le rendement effectif
et sur la pression
moyenne effective.
6. Expérimentations sur le moteur à allumage commandé avec injection directe du HRG en admission
Radu CHIRIAC
Fig. 6.15 Iinfluence
de la fraction volumique d’hydrogène sur les émissions de HC et NOX (faible charge, bas régime 1600 tr/min, richesse 1.18-1.20 et avances optimales d’allumage)
1.50
4.75
8.00
11.25
14.50
0 20 40 60 80 100H2 volumetric fraction [%]
HC
[g/k
W]
3.00
9.00
15.00
21.00
27.00
NO
x [g
/kW
h]
HC
Nox
Fig. 15Optimum values
3.50
5.50
7.50
9.50
11.50
0 20 40 60 80 100H2 volumetric fraction [%]
CO
[g/k
W]
1050
1250
1450
1650
1850
CO
2 [g
/kW
h]
CO
CO2
Optimum values Fig. 14
Fig. 6.14 Effet de la fraction volumique d’hydrogène sur sur
les émissions de CO et CO2(faible charge, bas régime 1600 tr/min, richesse 1.18-1.20 et avances optimales d’allumage)
•
L’effet bénéfique de la présence d'hydrogène
sur le rendement effectif est aussi remarqué
par des émissions réduites de CO2
dans les gaz d’échappement qui baissent de presque 17%
pour une fraction volumique H2
de50%.
•
Pour les mélanges pauvres, à
faibles charges, l’addition du HRG semble être très efficace particulièrement en ce qui concerne
les émissions des HC imbrûlés
grâce à
une réduction de
la dispersion cyclique
et la diminution de la combustion incomplète.
L’addition d’hydrogène produit une augmentation des émissions NOX
en condition d’excès d’air.
6. Expérimentations sur le moteur à allumage commandé avec injection directe du HRG en admission
Radu CHIRIAC
Fig. 6.16 Influence de la fraction volumique d’hydrogène sur la pression moyenne indiquée NIMEP (charge partielle, régime 2500 tr/min, richesse 1.18-1.20 et avances optimales d’allumage)
Fig. 6.17 Effet de la fraction volumique d’hydrogène sur la dispersion cyclique (COV)NIMEP(charge partielle, régime 2500 tr/min, richesse 1.18-1.20 et avances optimales d’allumage)
6.50
6.75
7.00
7.25
7.50
0 20 40 60 80H2 volumetric fraction [%]
NIM
EP [b
ar]
Fig. 16Optimum values
3.50
4.50
5.50
6.50
7.50
0 20 40 60 80H2 volumetric fraction [%]
(CO
V)N
IMEP
[%]
Optimum values Fig. 17
•
Un autre groupe d'essais a été
effectué
à
charge partielle et à
un régime plus élevé
de 2500 tr/min, caractéristiques de fonctionnement inter-urbain, pour deux valeurs différentes de richesse, à
pression, température et intensité
de la turbulence plus forte par rapport au régime
antérieur.
•
Cette fois l’influence du HRG semble atténuée
et le rôle actif d’hydrogène est nettement réduit
car pour ce régime de fonctionnement l’importance de la phase initiale de la
combustion est modéré.
6. Expérimentations sur le moteur à allumage commandé avec injection directe du HRG en admission
Radu CHIRIAC
Fig. 6.18 Effet de la fraction volumique d’hydrogène sur les émissions de CO et CO2(charge partielle, régime 2500 tr/min, richesse 1.18-1.20 et avances optimales d’allumage)
Fig. 6.19 L’effet de la fraction volumique d’hydrogène sur les émissions de HC et NOX (charge partielle, régime 2500 tr/min, richesse 1.18-1.20 et avances optimales d’allumage)
2.00
2.50
3.00
3.50
4.00
0 20 40 60 80H2 volumetric fraction [%]
CO
cor
[g/k
W]
525
575
625
675
725
CO
2 co
r [g/
kWh]
CO cor
CO2 cor
Fig. 6 .18Optimum values
0.80
0.95
1.10
1.25
1.40
0 20 40 60 80
H2 volumetric fraction [%]
HC
cor
[g/k
W]
4.00
7.00
10.00
13.00
16.00
NO
x co
r [g/
kWh]
HC cor
Nox cor
Optimum values Fig. 6.19
•
Même si l’influence d’hydrogène est moins forte, les tendances de réductions pour les émissions de CO2
et de HC sont clairement visibles
aussi que l’augmentation de NOX
aux valeurs supérieures de la fraction volumique d’hydrogène.
•
Dans l'ensemble les effets identifiés de l'injection directe du HRG
sur le fonctionnement d’un moteur à
allumage commandé
ont été
attribués à
la présence de l’hydrogène
le composant
principal du HRG. Pour instant, il n’a pas été
possible d’isoler les effets des autres composants chimiques présents dans le HRG.
6. Expérimentations sur le moteur à allumage commandé avec injection directe du HRG en admission
Radu CHIRIAC
7. Expérimentations sur le moteur à allumage par compression avec un carburant diesel enrichi en HRG
•
Des études comparatives ont été
effectuées sur un moteur diesel
quatre temps, quatre cylindres à
différentes charges et différents régimes. Le moteur choisi est un moteur de tracteur
robuste
et représentatif d'un marché
potentiel.
Number of cylinders 3 Displaced volume, dm3 2.819
Bore × Stroke 102×115Compression ratio 17.5
Combustion chamber geometry
omega
Tableau 7.1 Caractéristiques du moteur à
allumage par compression•
Le moteur a été
initialement testé
pour deux régimes
de fonctionnement
correspondant au couple maximum (régime 1400 tr/min) et à
la puissance
maximale (régime 2400 tr/min)
sans modifier aucun des paramètres de réglage du moteur.
•
La seule variable considérée est le carburant
: diesel Euro III et diesel-Euro III enrichi en HRG.
•
Ultérieurement un autre groupe d'essais a été
effectué
en pleine charge et selon le cycle test composé
de ‘8 modes’
pour les émissions polluantes.
•
Les essais ont été
effectués dans le centre de recherche d’une tierce partie indépendante
qui n’a pas été
impliquée dans le programme de recherche sur HRG.
Radu CHIRIAC
Fig. 7.1 Consommations spécifiques de carburant a -
régime de couple maximum
b -
régime de puissance maximale
7. Expérimentations sur le moteur à allumage par compression avec un carburant diesel enrichi en HRG
200
400
600
800
1000
1200
1400
0 10 20 30 40 50Power [kW]
SFC
[g/k
Wh]
diesel fuel diesel-HRG
200
400
600
800
1000
1200
1400
0 5 10 15 20 25 30Power [kW]
SFC
[g/k
Wh]
diesel fuel diesel-HRG
a b
•
Pour les deux caractéristiques de charge, la consommation spécifique de carburant a été légèrement réduite, approximativement de 5% à
1400 rpm
et de 6.6% à
2400 tr/min
dans le
domaine de faibles charges.
•
Dans le domaine des fortes charges aucune réduction n’a été
enregistrée
par le changement du diesel par le diesel enrichi en HRG.
Radu CHIRIAC
Fig. 7.2 Emissions spécifiques de COa -
régime de couple maximum
b -
régime de puissance maximale
0
20
40
60
80
100
120
0 5 10 15 20 25 30Power [kW]
CO
[g/k
Wh]
diesel fuel diesel-HRG
0
20
40
60
80
100
120
0 5 10 15 20 25 30 35 40 45Power [kW]
CO
[g/k
Wh]
diesel fuel diesel-HRG
a b
•
Des réductions plus importantes
ont été
enregistrées pour les émissions de CO et THC dans la même plage de charges du moteur. Concernant les émissions de
CO
des réductions de 20% au
régime de couple
maximum et de 30% au régime de puissance
maximale ont été
constatées.
7. Expérimentations sur le moteur à allumage par compression avec un carburant diesel enrichi en HRG
Radu CHIRIAC
Fig. 7.3 Emissions spécifiques de THCa -
régime de couple maximum
b -
régime de puissance maximale
0
5
10
15
20
25
0 5 10 15 20 25 30Power [kW]
THC
[g/k
Wh]
diesel fuel diesel-HRG
0
5
10
15
20
25
0 10 20 30 40 50Power [kW]
THC
[g/k
Wh]
diesel fuel diesel-HRG
a b
•
Pour les THC imbrûlés
les réductions sont assez significatives
avec 15%
pour le régime de 1400 tr/min
et de 25% pour le régime de 2400 tr/min.
•
L’effet de l'accélération de la combustion
du fait
du contenu supérieur en hydrogène dans le carburant diesel enrichi en HRG est visible notamment au faibles charges.
7. Expérimentations sur le moteur à allumage par compression avec un carburant diesel enrichi en HRG
Radu CHIRIAC
Fig. 7.4 Quantité
spécifique de particules et indice de fumée pour le régime de couple maximum
0
0,5
1
1,5
2
2,5
3
3,5
4
4,5
5
0 5 10 15 20 25 30Power [kW]
PM [g
/kW
h]
diesel fuel diesel-HRG
0
0,5
1
1,5
2
2,5
3
3,5
4
4,5
5
0 5 10 15 20 25 30Power [kW]
Smok
e N
umbe
r [U
Bos
ch]
diesel fuel diesel-HRG
•
Les plus importantes réductions
ont été
notées pour les particules
et les émissions de fumée.
•
Pour la totalité
du domaine
des charges à
chaque régime caractéristique ont été
enregistrées de très importantes réductions; ainsi une valeur moyenne de réduction de 65% a été
obtenue
pour le régime de couple maximum.
7. Expérimentations sur le moteur à allumage par compression avec un carburant diesel enrichi en HRG
Radu CHIRIAC
Fig. 7.5 Quantité
spécifique de particules et indice de fumée pour le régime de puissance maximale
0
0,5
1
1,5
2
2,5
3
3,5
0 10 20 30 40 50Power [kW]
PM [g
/kW
h]
diesel fuel diesel-HRG
0
0,5
1
1,5
2
2,5
3
3,5
4
0 10 20 30 40 50Power [kW]
Smok
e N
umbe
r [U
Bos
ch]
diesel fuel diesel-HRG
•
Au régime de puissance maximale
la valeur moyenne de la réduction pour les particules et les émissions de fumée est de 75%.
•
Ces résultats obtenus
sur le moteur à
allumage par compression peuvent être associés aux phénomènes d’amélioration de la combustion mis en évidence pour le moteur à
allumage
commandé. Ils sont déterminés par l’accroissement du contenu en hydrogène du carburant
qui est en général associé
à
des températures plus élevées
dans la chambre de combustion.
7. Expérimentations sur le moteur à allumage par compression avec un carburant diesel enrichi en HRG
Radu CHIRIAC
Fig. 7.6 Emissions de NOXa -
régime de couple maximum
b -
régime de puissance maximale
05
101520253035404550
0 5 10 15 20 25 30Power [kW]
NO
x [g
/kW
h]
diesel fuel diesel-HRG
0
5
10
15
20
25
30
0 10 20 30 40 50Power [kW]
NO
x [g
/kW
h]diesel fuel diesel-HRG
a b
•
En conséquence, de températures de combustion élevées les émissions des NOX
augmentent de 7.5%
pour le régime de couple
et de 15%
pour le régime de
puissance.
7. Expérimentations sur le moteur à allumage par compression avec un carburant diesel enrichi en HRG
Radu CHIRIAC
Fig. 7.7 Performances et consommation spécifique à
pleine charge
0
10
20
30
40
50
60
70
900 1100 1300 1500 1700 1900 2100 2300 2500
Engine speed [rpm]
Pow
er [k
W],
Fuel
dos
e [m
m3/
inj]
220
223
226
229
232
235
238
241
Spec
ific
cons
umpt
. SFC
[g/k
wh]
Power_diesel fuel qdose_diesel fuel Power_diesel-HRGqdose_diesel-HRG SFC_diesel fuel SFC_diesel-HRG
•
La puissance effective
à
pleine charge, pour tous les régimes de rotation du moteur, est pratiquement identique
quelque soit le carburant utilisé
: diesel Euro III ou diesel
Euro III enrichi en HRG.
•
Seul une faible réduction
de la consommation spécifique de carburant aux faibles régimes
est constatée.
7. Expérimentations sur le moteur à allumage par compression avec un carburant diesel enrichi en HRG
Radu CHIRIAC
Fig. 7.8 a -
Emissions totales d’hydrocarbures et de particules à
pleine chargeb -
Emissions spécifiques de CO et NOX
à
pleine charge
0
1
2
3
4
5
6
7
8
900 1100 1300 1500 1700 1900 2100 2300 2500
Engine speed [rpm] C
O e
mis
sion
[g/k
Wh]
0
1
2
3
4
5
6
7
8
NO
x em
issi
on [g
/kW
h]
CO_diesel fuel CO_diesel-HRG NOx_diesel fuel NOx_diesel-HRG
0
0.05
0.1
0.15
0.2
0.25
0.3
900 1100 1300 1500 1700 1900 2100 2300 2500
Engine speed [rpm]
Tota
l Hyd
roca
rbon
s TH
C [g
/kW
h]
0
0.15
0.3
0.45
0.6
0.75
0.9
Part
icul
ate
Met
ter P
M [g
/kW
h]
THC_diesel fuel THC_diesel-HRG PM_diesel PM_diesel-HRG
a b
•
En pleine charge, les émissions totales d’hydrocarbures ont baissé
de 15% à
20%
sur tout les régimes. Les émissions de particules
ont enregistré
un abaissement de 20%
à
25%.
•
L’accroissement d’oxydes d’azote NOX
de 2% à
9% pour tout le domaine des régimes avec des valeurs plus importantes aux bas régimes confirme l'amélioration de la combustion par la présence de l’hydrogène.
7. Expérimentations sur le moteur à allumage par compression avec un carburant diesel enrichi en HRG
Radu CHIRIAC
NOx+THC NOX CO THC PM Approx
[g/kWh] [g/kWh] [g/kWh] [g/kWh] [g/kWh]8.2 7.76 2.1 0.44 0.225
8.46 8.05 2.07 0.41 0.203 % % % % %
3.1707 3.7371 -1.4286 -6.8182 -9.7778
Tableau 7.2 Emissions spécifiques pour le cycle test 8 modes
•
Les résultats des émissions polluantes obtenus sur le cycle test ‘8 modes’, Tableau 7.2, montrent d'importantes réductions
pour les hydrocarbures et les particules, une
faible réduction
pour les CO
et un accroissement
pour les NOX
.
•
Bien qu’une réduction importante ait été
obtenue pour les hydrocarbures totaux le changement d’émissions de NOX
a déterminé
une augmentation des émissions cumulées (NOX
+ THC) d’environ 3%.
La plus spectaculaire réduction d’approximativement 9.7% a été
obtenue pour les particules.
7. Expérimentations sur le moteur à allumage par compression avec un carburant diesel enrichi en HRG
GazoleGazole enrichi en HRG
Radu CHIRIAC
8. Conclusions
1.
Le HRG a des propriétés physico-chimiques
intéressantes similaires à
celles du mélange stœchiométrique H2
-O2
.
2.
Les caractéristiques de combustion
de ces deux gaz sont relativement proches mais avec une réactivité
plus faible pour le HRG. Cela est mis en évidence par une durée
plus longue de la phase initiale
de formation et de développement du noyau de la flamme ainsi que par une vitesse de combustion laminaire inférieure d'environ 5%.
3. L’addition du HRG
par injection dans le système d’admission d’un moteur à allumage commandée présente un effet positif sur les performances
du moteur grâce
à
l’amélioration du processus de combustion.
4. BTE, NIMEP et (COV)NIMEP
sont améliorés
en accord avec la diminution de la durée de combustion. Les concentrations d’émissions de HC et CO sont ainsi réduites
tandis que les émissions de NOX généralement augmentent.
5. L’effet de l’addition du HRG est plus évident à
faible charge, à
bas régimes et pour les mélanges pauvres.
Radu CHIRIAC
8. Conclusions
6. L’effet favorable de l’addition du HRG
peut être expliqué
par l’influence, bien connue, de l’hydrogène
qui est le principal composant du HRG. Une influence
possible par la présence des autres composants du HRG n’a pas été
encore identifiée.
7. La technologie pilote d'enrichissement en HRG
par hydrotraitement catalytique à pression et température réduite est simple et efficace
et particulièrement adéquate
pour les carburants ordinaires.8. La présence de quelques composants du HRG
modifient légèrement la composition
chimique et les propriétés physiques
des carburants pendant le processus de mélange catalytique carburants-HRG, en assurant une amélioration des caractéristiques de combustion.
9. L’amélioration de la combustion
conduit dans le cas du moteur diesel à
des performances comparables et des émissions polluantes réduites particulièrement pour les HC et PM à
l’exception des NOX
. Toutefois l'enrichissement des carburants en hydrogène reste une voie a suivre
pour diminuer les émissions polluantes des
moteurs à
combustion interne.
10. Évidement les mélanges hydrogène-oxygène sont très réactifs et présentent un risque d'auto-inflammation en présence d'une source d’allumage faible
(par exemple
: électricité
statique). Dans ce contexte notre future proposition est de poursuivre les essais avec injection directe de HRG
dans la chambre de combustion.
Radu CHIRIAC
Merci pour votre attention!
