Les études pour optimiser les moteurs et turbines à gaz

Etudier l’atmosphère et la qualité de l’air est la mission du Laboratoire PC2A de l’Université de Lille 1 (Laboratoire de Physico-Chimie des Processus de Combustion et de l’Atmosphère).

Parmi les polluants atmosphériques, ceux émis par les transports font l’objet de recherches poussées. Comment perfectionner le fonctionnement d’un moteur avec des émissions minimisées, comment en mettre au point de nouveaux types afin d’utiliser de nouveaux carburants ?

Ce billet se focalise sur l’une des thématiques du laboratoire : l’étude de la combustion notamment en vue d’optimiser le fonctionnement des moteurs et des turbines à gaz. Ceci passe par une parfaite connaissance des différents mécanismes d’oxydation des carburants.

En combustion, on distingue généralement deux gammes de température, pour lesquelles les phénomènes chimiques à l’oeuvre sont très différents : – pour des températures supérieures à 800 °C, c’est le domaine de la combustion classique caractérisée par la présence de flamme, – pour des températures inférieures à 700 °C, on entre dans le domaine des flammes froides.

Une flamme normale est le fruit d’une combustion vive tandis qu’une flamme froide est le fruit d’une oxydation lente et incomplète : l’avantage est l’absence de formation de suie ou d’autres polluants.

Cette partie du laboratoire PC2A « Cinétique Chimique et Combustion dans les Moteurs » s’intéresse donc à la chimie basse température et utilise pour ces études, deux dispositifs: – la machine à compression rapide, – un brûleur à basse température.

La machine à compression rapide permet de simuler la phase de compression qui a lieu au sein d’un moteur à combustion. En particulier, le dispositif permet de mesurer le temps nécessaire pour qu’un mélange défini s’enflamme. Pour cela, le profil de pression est suivi et un phénomène transitoire correspondant à un courte étape d’oxydation lente est repéré. C’est l’étape de « flamme froide ».

La machine à compression rapide du laboratoire PC2A (Lille)

Voyons un exemple de profil de pression (P vs t) obtenu : le pic de pression le plus à droite correspond à l’inflammation du mélange mais « avant » ce pic, un premier accident caractérise l’apparition du phénomène de flamme froide qui n’est ici que transitoire.

Exemple de profil de pression obtenu sur la machine à compression rapide : flamme froide suivie d’une inflammation

Il s’agit donc de mesurer, pour un certain type de mélange gazeux, le délai entre le phénomène de flamme froide (premier petit décrochement dans la courbe) et l’inflammation (gros pic de pression). Quels mécanismes chimiques permettent d’expliquer ce délai ? Quelles espèces chimiques sont impliquées ? Pour en savoir un peu plus, le mélange gazeux est prélevé et analysé par chromatographie en phase gaz.

La 2e approche mise en oeuvre au laboratoire est un brûleur basse température qui permet l’étude des flammes froides en régime permanent. Ce brûleur dédié est conçu de façon à stabiliser une flamme froide : l’arrivée de combustible/comburant est bien contrôlée. L’intérêt est de tester le comportement de différents combustibles, dont celui des biocarburants. Parmi eux, certains sont peu réactifs, cependant en mélange avec d’autres molécules, leur réactivité est initiée (effet de co-oxydation). Bref, ici, en faisant varier les conditions opératoires (richesse du mélange par exemple), on étudie la flamme froide qui se forme. Elle est alors visualisée par le biais de dispositifs optiques.

L’intérêt de ces études est de pouvoir concevoir de nouvelles technologies de moteurs ayant un bon rendement tout en limitant les émissions de polluants avec en plus un maximum de sécurité.

Actuellement, sur les moteurs thermiques classiques, la solution environnementale réside en des systèmes post-traitement qui permettent de limiter les émissions de NOx (via un catalyseur) et les particules (via les filtres). Les nouvelles technologies de moteurs thermiques (tels que les moteurs dits LTC -Low Temperature Combustion-) reposent sur l’utilisation de la chimie responsable des flammes froides en faisant appel à des carburants différents des carburants classiques.

Mais pour cela, il faut réussir à maîtriser parfaitement les modes de combustion au sein du moteur : la connaissance des différents mécanismes d’oxydation, des voies réactionnelles doit être parfaite. Il reste du chemin à parcourir.