Interaction entre plasmas froids et combustion aux températures basses et intermédiaires : approche expérimentale

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.