Les scientifiques sondent la source de l’occurrence stochastique du super-cliquetis dans les moteurs fonctionnant à l’hydrogène/au méthane

Dans une étude publiée dans Combustion et flammeles chercheurs ont étudié l’impact de la chimie de réaction non thermique sur la propagation des fronts de combustion pour un mélange de carburant H2-CH4 brûlant dans l’air dans un domaine délimité, représentant un cylindre de moteur idéalisé.

Des travaux antérieurs ont montré que dans certains environnements de combustion, la recombinaison radical-radical H + CH3 et H + OH et les réactions d’association radical-molécule H + O2 peuvent former des intermédiaires à l’état excité à longue durée de vie (tels que CH4*, H2O*, HO2*) qui peut subir des réactions ultérieures avec H, O, OH et O2 avant de subir une stabilisation collisionnelle (en CH4, H2O, HO2).

L’équipe internationale dirigée par Sandia National Laboratories a inclus des réactions « termoléculaires » non thermiques dans le modèle, étudiant en particulier les effets de telles réactions de recombinaison radical-radical et d’association radical-molécule. L’équipe a utilisé le code de simulation numérique directe (DNS) S3D, avec une résolution spatiale de 1 micromètre, montrant que l’inclusion de chimie de réaction non thermalisée influence les flux de réaction chimique lors de la combustion H2-CH4 à haute pression et la transition des fronts de déflagration à haute pression. , fronts de détonation rapides.

D’autre part, l’inclusion de l’analyse chimique en mode explosif (CEMA), un outil informatique fiable de diagnostic de flamme pour détecter systématiquement les espèces importantes et les réactions formées pendant la combustion, a indiqué que, indépendamment de la présence de réactivité non thermique, la température et la concentration d’oxygène restent les deux variables les plus dominantes affectant la formation de détonation dans les mélanges H2/CH4-air dans des conditions pertinentes pour le moteur.

Les chercheurs notent que cette observation particulière pourrait changer avec différents rapports de mélange H2/CH4. Le modèle proposé par les chercheurs apparaît dans l’image ci-dessus. Premièrement, une flamme déclenchée par une étincelle se propage vers l’extérieur à la vitesse Sf accompagnée d’une onde de pression se déplaçant à la vitesse a, où a est beaucoup plus grand que Sf (a >> Sf). Sans réactions termoléculaires, le gaz non brûlé près de la paroi du cylindre s’enflamme spontanément avant d’être consommé par la flamme déclenchée par étincelle.

Par la suite, le front d’allumage émergent se propage vers l’extérieur avec la vitesse ‘SSp’ de sorte qu’il reste découplé de l’onde de pression (SSp >> a), conduisant ainsi à la formation d’un cliquetis normal. Cependant, en présence de réactions termoléculaires, une coalescence entre le front de flamme déclenché par étincelle et l’onde de pression se produit, « a » étant approximativement aussi grand que Sf. La synchronisation parfaite entre l’onde de pression et le front de flamme déclenché par étincelle se traduit par la transition déflagration-détonation, c’est-à-dire un super-cognement sans aucune inflammation spontanée dans le gaz final non brûlé. Les chercheurs proposent que leur chimie de réaction non thermique soit incluse lors de la modélisation de la combustion des mélanges H2-CH4 afin de prédire avec précision les aspects importants du comportement de la flamme.

Les moteurs à combustion interne turbocompressés de petite cylindrée peuvent subir des « cognements » sans subir de dommages durables. Le cognement se produit lorsque le carburant s’enflamme plus tôt que prévu. Le « super-coup » est beaucoup plus dommageable. Contrairement au cognement normal, le super cognement est causé par une onde de détonation due à une boucle de rétroaction entre le dégagement de chaleur associé à la flamme et la pression à l’intérieur d’un cylindre de moteur.

Un carburant alternatif, l’hydrogène, présente un risque plus élevé de super-cliquetis que les autres carburants en raison de la manière dont les moteurs doivent fonctionner pour fonctionner efficacement à l’hydrogène. Une solution consiste à utiliser des carburants composés d’un mélange d’hydrogène et de méthane. L’ajout de méthane à l’hydrogène peut adoucir la combustion et réduire certains types d’émissions. La combustion dans les moteurs est extrêmement complexe, les chercheurs doivent donc étudier les réactions hydrogène/méthane pour faciliter la conception des moteurs.

L’utilisation de mélanges d’hydrogène et de méthane comme carburants dans les moteurs à combustion interne est l’une des stratégies les plus prometteuses pour réduire les émissions de dioxyde de carbone. Une préoccupation lors de la combustion de ces carburants dans des moteurs à allumage par étincelle est la transition d’un mécanisme de combustion « souhaitable » à la formation d’une onde de détonation. Dans la combustion souhaitable, l’onde de combustion du carburant (appelée déflagration) se propage loin de la source d’allumage par étincelle.

Dans de mauvaises conditions, cette combustion peut au contraire conduire à la formation d’une onde de détonation. Cette onde consomme rapidement tout le carburant et entraîne une forte pointe de pression appelée super-cliquetis dans les moteurs. Pour éviter les super-chocs, les scientifiques ont étudié les causes du passage de la déflagration à la détonation. Cette recherche contribuera à ouvrir la voie à l’utilisation d’alternatives viables aux combustibles fossiles dans les moteurs à combustion interne.