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Résumé:

La combustion d'un mélange pauvre et homogène est une opportunité de réduire les émissions des moteurs à combustion interne (à la fois en termes de gaz à effet de serre et de polluants) si elle est accompagnée d'une utilisation responsable. Mais brûler un mélange pauvre tout en assurant le fonctionnement normal d'un moteur est complexe car il en résulte des faibles taux de réactions et des phénomènes d'extinction ou d'instabilités. Des solutions doivent alors être développées afin de contrecarrer les effets néfastes de la combustion pauvre et en tirer profit. Le concept d'allumage par préchambre, qui génère de multiples jets turbulents composés de gaz brûlés à haute température afin d'allumer la chambre principale, a démontré qu'il était capable d'induire une combustion rapide permettant de brûler efficacement des pré mélanges pauvres. Cependant, l'optimisation de la taille des orifices liants la préchambre à la chambre principale est délicate. De petits trous doivent être utilisés afin de générer suffisamment de turbulence dans la chambre principale, mais ils peuvent également empêcher l'allumage en raison d'un refroidissement trop important et/ou d'une vitesse de jet trop élevée. D'où l'enjeu de ce travail : comment concevoir les trous de connexion de sorte à maximiser la vitesse de combustion sans dépasser la limite d'allumage?

Pour répondre à cette question, plusieurs outils numériques ont été utilisés, allant de simulations tridimensionnelles d'écoulements réactifs de type simulation directe (DNS) et simulation des grandes échelles (LES) à de plus simples modèles réduits. La DNS a été utilisée afin d'acquérir des connaissances précises sur l'allumage par jet chaud. Elle a permis de comprendre l'influence de la vitesse d'injection et de la température de jet sur l'allumage et a révélé des structures de flamme spécifiques. Elle a également permis de bâtir des modèles pour prédire la réussite ou l'échec d'un allumage par jet chaud. La LES a été utilisée pour étudier dans son ensemble le concept d'allumage par préchambre dans un moteur. Elle a permis de caractériser l'écoulement au travers des conduits de connexion, de mesurer les effets de refroidissement et d'extinction dans ces conduits et d'analyser les mécanismes d'allumage et de combustion qui ont lieu pour des cas de combustion normale et anormale. Enfin, un modèle moteur zéro dimensionnel a été développé, intégrant des sous-modèles essentiels afin de tenir compte des effets thermiques dans les conduits et de prédire l'allumage de la chambre principale. Il fournit un outil efficace afin de répondre aux besoins de dimensionnement en permettant l'évaluation du fonctionnement de plusieurs designs à un faible coût de calcul

Mots-clés : combustion, allumage, moteur à combustion interne, préchambre, simulation

Jury: