Les délais auto-inflammations des divers mélanges de carburants (méthane, gaz naturel, gaz de synthèse) en phase gazeuse aux températures basses et intermédiaires (800 à 1010 K) et hautes pressions (0,5 à 2,5 MPa) ont été mesurés dans la Machine à Compression Rapide (MCR) de l’Université de Lille 1. Différentes quantités d’hydrogène ou d’additifs représentant une composition-type d’EGR (CO, CO2, H2O) ont été ajoutées au gaz naturel pour étudier leur effet sur les délais d’auto-inflammation. L’effet des conditions opératoires (la pression et la température) et l’effet de la richesse des mélanges ont été également étudiés. Le mécanisme GDF-kin® 4 développé par GDF-SUEZ a été utilisé pour modéliser les résultats expérimentaux. Ce mécanisme a été amélioré pour reproduire les délais d'auto-inflammation dans nos conditions d'étude. Le nouveau mécanisme a également été validé à l'aide de nombreux résultats expérimentaux de la littérature. / The ignition delay of various gaseous fuel (methane, natural gas, syngas) at low and intermediate temperatures (800 to 1010K) and high pressure (0,5 to 2,5 MPa) were measured in the rapid compression machine of the University of Lille 1. Different amounts of hydrogen or additives representing a composition type EGR (CO, CO2, H2O) were added to natural gas in ordre to study their influence on the ignition delay. The effect of operating conditions (pressure and temperature) and the equivalence radio of the fuel were also studied. The mechanism GDF-kin® 4 developed by GDF SUEZ has been used to model the experimental results. This mechanism has been improved to reproduce the ignition delay in our conditon. The new mechanism has also been validated with various experimental results from the literatures.

La cinétique d'oxydation, d'auto-inflammation et de combustion en milieu pauvre et ultra-pauvre de trois hydrocarbures types représentatifs du comportement des carburants gazoles pour automobiles a été étudiée à haute pression (0,34 - 2,32 MPa) et basse température (600 - 950 K) : le n-butylbenzène pour les constituants aromatiques, le n-propylcyclohexane pour les naphténiques et le n-décane pour les paraffiniques. Une base exhaustive de données thermocinétiques expérimentales et théoriques a été élaborée. Les expériences d'auto-inflammation ont été réalisées avec une machine à compression rapide originale équipée d'une chaîne analytique performante. Des données globales de réactivité - délais et phénoménologie de l'auto-inflammation - ainsi que des données détaillées - identification et quantification des produits intermédiaires d'oxydation - ont permis de reconnaître et d'interpréter les voies prépondérantes d'auto-inflammation et de formation de polluants à basse température. Des schémas réactionnels complexes sont construits. Des modèles thermocinétiques sont développés et validés par les données originales. Des simulations numériques ont permis de prévoir l'effet de la recirculation des gaz brûlés (EGR) et le comportement en phase de compression. Ces travaux font partie d'un programme de quatre thèses destinées à élaborer les outils d'une optimisation du mode de combustion moteur par auto-inflammation homogène (mode HCCI pour Homogeneous Charge Compression Ignition), une alternative propre et prometteuse aux procédés conventionnels mais qui exige une connaissance approfondie des conditions d'auto-inflammation du carburant à basses températures. / The oxidation, autoignition and combustion of hydrocarbons were studied at high pressure (0,34 - 2,32 MPa) and low temperature (600 - 950 K) for lean and ultra-lean gas mixtures. Three hydrocarbons typical of the chemical structure of diesel fuel components were chosen: n-butylbenzene for the aromatics, n-propylcyclohexane for the naphtenes and n-decane for the paraffins. An exhaustive base of experimental and theoretical thermokinetic data has been built. Autoignition experiments were conducted in an original rapid compression machine fitted with efficient analytical attachments. Global and detailed data of reactivities were collected: autoignition delay times and phenomenology of the autoignitions, speciation and determination of oxidation intermediates. They allowed recognizing and interpreting the main reaction pathways leading to the low-temperature autoignition and pollutant formation. Complex reaction schemes and thermokinetic models were developed and validated with the new experimental data. Numerical simulations were done to predict the effect of the exhaust gas and compression phase. This work has been a part of a project of four theses to elaborate efficient tools to optimise the clean and attractive HCCI (Homogeneous Charge Compression Ignition) mode of combustion, which requires a deep understanding of the conditions of low-temperature autoignition.

La nécessité de réduire la formation de polluants tels que les oxydes d’azote et les particules de suie a conduit à étendre le domaine paramétrique des moteurs à combustion interne vers des mélanges en carburant plus pauvres et des températures de flamme moins élevées. Ces modifications entraînent des instabilités de combustion, qui pourraient être considérablement réduites grâce à la mise en œuvre contrôlée de décharges nanosecondes "ou plasma froids", qui suscitent un intérêt grandissant. L’étude réalisée dans ce mémoire s’inscrit dans un contexte original de combustion basse température assistée par plasma froid et a impliqué la collaboration entre le laboratoire Physicochimie des Processus de Combustion de l’Atmosphère de l’Université de Lille et le Laboratoire de Physique des Plasmas de l’Ecole Polytechnique de Palaiseau. Lors de ces travaux, une décharge nanoseconde à barrière diélectrique (DBD) a été utilisée dans le but d’initier la combustion pour des pressions comprises entre 1 et 19 bar au sein de la Machine à Compression Rapide (MCR) de Lille. Les expériences ont été effectuées pour différents carburants (méthane, n-butane, n-heptane) dilués dans de l’argon et du diazote afin d’atteindre des températures de cœur comprises entre 620 et 1000K. L’imagerie de l’émission de la décharge à barrière diélectrique, réalisée au moyen d’une caméra intensifiée, montre que la morphologie de la décharge dépend de la pression, avec une transition entre une décharge volumétrique à basse pression vers une décharge surfacique à haute pression. Pour le méthane et le n-butane, une réduction significative du délai d’inflammation a été observée quand la tension à l’électrode est supérieure à une tension seuil. En dessous de cette tension seuil le système a le même comportement que lors d’une auto-inflammation. L’effet de la tension à l’électrode (amplitude et polarité) sur le délai d’inflammation a aussi été étudié. Dans ces conditions plus l’énergie déposée augmente plus la vitesse de dégagement de chaleur augmente. Ces résultats ont été comparés à ceux obtenus par imagerie rapide et ont montré la propagation d’un front de flamme de l’électrode vers le piston. Dans le cas du n-heptane, on constate que lorsque l’énergie déposée par la décharge augmente, trois régimes se succèdent : à basse énergie le mélange ne subit aucune inflammation, puis un régime présentant une flamme froide induite par plasma sans inflammation est obtenu pour des tensions comprises entre 34 et 42 kV, enfin une inflammation rapide est observée pour les plus hautes énergies. Une comparaison des espèces chimiques formées dans une flamme froide spontanée et une flamme froide induite par plasma a été effectuée. Le prélèvement et l’analyse GC/MS des intermédiaires stables produit durant la flamme froide montre une similitude entre les produits formés entre les deux cas. / In order to reduce the emission of pollutants in conventional engines, lean mixtures and low temperature conditions can be used. In this context, plasma discharges are very attractive in the purpose of ignition and flame stabilization. Non thermal plasma generated radicals, excited atoms and molecules, and charged particles can stimulate the chemistry leading to ignition.A nanosecond dielectric barrier discharge (DBD) was used to initiate combustion at moderate to high pressures in a Rapid Compression Machine (RCM) at the University of Lille. The discharge has a quasi-uniform radial geometry and was located in the proximity of the end plate of the combustion chamber of the RCM. Experiments were performed for methane, n-butane and n-heptane/O2 mixtures diluted by Ar or N2 for core gas temperatures at the end of compression respectively ranging from 620 to 1000 K. The imaging of the nanosecond dielectric barrier discharge emission using an intensified camera shows that the morphology of the discharge depends on the pressure, with a smooth transition from a volumetric discharge bridging the gap between the electrode and the piston, to surfacic discharge in the vicinity of the electrode. For the experiments carried out with methane and n-butane containing mixtures, a significant decrease of the ignition delay time is observed when the discharge voltage reaches a given value. Under this value, the system behaves as in the autoignition (AI) conditions. The existence of a minimal ignition voltage depending on the initial conditions was therefore demonstrated. The effect of the voltage (amplitude and polarity) on the electrode on the ignition delay for plasma assisted ignition (PAI) was studied. Under these conditions, it was shown that when the deposited energy increases, the heat release rate increases. These results were correlated with high speed imaging experiments, showing the propagation of the flame front from the electrode towards the piston.For n-heptane mixtures, a modification of the ignition behavior by the discharge has been demonstrated. When the discharge energy increases, the reactive system evolves from a situation where no ignition is observed, to a plasma induced cool flame occurring tens of ms after the discharge and finally, to fast ignition as in the other mixtures at high energy values. A comparison between spontaneous cool flame and plasma assisted cool flame has also been performed. Gas sampling and GC/MS analyzing of the intermediate stable species produced during the cool flame show that no new species were formed in the case of plasma assisted cool flame.

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.

L'oxydation et l'auto-inflammation de quatre carburants issus de la biomasse ont été étudiées dans des réacteurs adaptés à leurs réactivités, à haute pression et dans un large domaine de température. L'auto-inflammation du biogaz purifié (CH4 + H2) et du gaz de synthèse (CO + H2) a été étudiée en tube à choc à 10 bar entre 1200 et 2000 K. Elle se fait en un seul stade sans coefficient négatif de température ni de flamme froide. La cinétique d'oxydation du méthanol a été étudiée dans un réacteur parfaitement agité à 10 bar entre 700 et 1200 K. L'influence des oxydes d'azote (NOx) sur la cinétique d'oxydation du méthanol a également été étudiée. En présence de NOx l'oxydation du méthanol est accélérée. L'analyse et la quantification des produits de combustion ont permis de construire et de valider un modèle thermocinétique composé de 39 espèces et 170 réactions. L'oxydation et l'auto-inflammation du diméthyléther ont été étudiées en machine à compression rapide de 600 à 900 K et de 1,7 à 8,3 bar. L'effet de NO2 sur l'oxydation du diméthyléther a également été étudié. La formation de méthanoate de méthyle a été mise en évidence durant ce travail. Le diméthyléther présente une phénoménologie d'autoinflammation en deux stades avec coefficient négatif de température et flammes froides. Les délais d'autoinflammation mesurés en présence de NO2 sont plus courts. La base de données expérimentales établie à partir des résultats de cette étude a permis de mettre à jour un modèle thermocinétique de l'oxydation et de l'autoinflammation du diméthyléther. Le nouveau modèle a été validé sur des mesures obtenues en machine à compression rapide, tube à choc et réacteur parfaitement agité.