Etude de la combustion diffusive du méthanol dans un moteur à allumage par compression

Le méthanol est un carburant de synthèse prometteur pour la décarbonation du transport maritime [1]. Relativement aisé à produire à partir de H₂ et CO₂, il peut être considéré comme neutre en carbone s’il est produit à partir d’électricité renouvelable [2]. Liquide dans les conditions standard, il est en outre facile à distribuer et stocker et possède une densité énergétique correcte, quoiqu’inférieure à celle des carburants fossiles. Les caractéristiques du méthanol font qu’il est facilement utilisable dans des moteurs à allumage commandé [3]. Cependant ce mode de combustion limite le rendement des moteurs pour plusieurs raisons :

• les risques d’auto inflammation limitent le taux de compression
• A faible charge un vannage à l’admission est nécessaire pour rester dans les limites d’inflammabilité
• Les pertes thermiques par les parois sont favorisées par l’interaction flamme/paroi importante

Pour des raisons de facilité de mise en œuvre, une voie également investiguée est celle du dual-fuel où une charge pré-mélangée de méthanol est produite dans le système d’admission du moteur puis allumée en fin de compression par un jet de carburant facile à auto-enflammer (Diesel ou bio-diesel par exemple)[4]. Cependant ce mode de combustion reste soumis aux limitations déjà mentionnées pour l’allumage commandé classique.

C’est pourquoi quelques travaux commencent à explorer une combustion diffusive du méthanol. Ce dernier est alors injecté sous haute pression directement dans la chambre de combustion. Pour favoriser l’inflammation intrinsèquement difficile du méthanol, plusieurs voies sont proposées dans la littérature :

• Utilisation d’additifs pour améliorer l’indice de cétane [5]
• Utilisation d’un taux de compression augmenté [6]
• Utilisation d’EGR non refroidi [7]
• Utilisation d’un point chaud [8]
• Utilisation d’un jet de gazole (type dual fuel) [9]

Les objectifs de cette thèse sont de:

• Caractériser expérimentalement sur un même moteur (de cylindrée unitaire d’environ 0.5 L) ces 5 modes de combustion diffusive du méthanol. Il s’agit en particulier d’évaluer le délai d’inflammation et le dégagement de chaleur et de réaliser des études de sensibilité aux paramètres d’injection (avance, pression, fractionnement) et au paramètres favorisant l’inflammation (type et concentration des additifs, taux de compression, taux de recirculation, température et localisation du point chaud, …)
• Comparer les différents modes, notamment en terme de rendement et d’émissions polluantes
• Evaluer les capacités de quelques modèles de combustion Diesel 0D/1D à représenter ces modes de combustion du méthanol et proposer le cas échant des adaptations.

Bibliographie :

[1] Curran S, Onorati A, Payri R, et al. The future of ship engines: Renewable fuels and enabling technologies for decarbonization. International Journal of Engine Research. 2024;25(1):85-110. doi:10.1177/14680874231187954

[2] Zhi Tian, Yang Wang, Xudong Zhen, Zengbin Liu, The effect of methanol production and application in internal combustion engines on emissions in the context of carbon neutrality: A review, Fuel, Volume 320, 2022, 123902, ISSN 0016-2361, https://doi.org/10.1016/j.fuel.2022.123902.

[3] Sebastian Verhelst, James WG Turner, Louis Sileghem, Jeroen Vancoillie, Methanol as a fuel for internal combustion engines, Progress in Energy and Combustion Science, Volume 70, 2019, Pages 43-88, ISSN 0360-1285, https://doi.org/10.1016/j.pecs.2018.10.001.

[4] Chunde Yao, Wang Pan, Anren Yao, Methanol fumigation in compression-ignition engines: A critical review of recent academic and technological developments, Fuel, Volume 209, 2017, Pages 713-732, ISSN 0016-2361, https://doi.org/10.1016/j.fuel.2017.08.038.

[5] Renewable Methanol with Ignition Improver Additive for Diesel Engines,Päivi T. Aakko-Saksa*Mårten WesterholmRasmus PettinenChrister SöderströmPiritta RoslundPekka PiimäkorpiPäivi KoponenTimo MurtonenMatti NiinistöMartin TunérJoanne Ellis, Energy Fuels 2020, 34, 1, 379–388

[6] Pucilowski, M., Jangi, M., Shamun, S., Tuner, M. et al., "The Effect of Injection Pressure on the NOx Emission Rates in a Heavy-Duty DICI Engine Running on Methanol.," SAE Technical Paper 2017-01-2194, 2017, https://doi.org/10.4271/2017-01-2194.

[7] Gainey B, Gandolfo J, Yan Z, Lawler B. Mixing controlled compression ignition with methanol: An experimental study of injection and EGR strategy. International Journal of Engine Research. 2023;24(5):1961-1972. doi:10.1177/14680874221105161

[8] Krishnan RA, Panda K, Ramesh A. Investigations on the effects of injection parameters and EGR in a glow plug assisted methanol fueled Hot Surface Ignition (HSI) Engine. International Journal of Engine Research. 2024;25(9):1641-1658. doi:10.1177/14680874241241564

[9] Xiaojun Yin, Wang Li, Hao Duan, Qimeng Duan, Hailiang Kou, Ying Wang, Bo Yang, Ke Zeng, A comparative study on operating range and combustion characteristics of methanol/diesel dual direct injection engine with different methanol injection timings, Fuel, Volume 334, Part 1, 2023, 126646, ISSN 0016-2361, https://doi.org/10.1016/j.fuel.2022.126646.

Thèse effectuée à Centrale Nantes (https://www.ec-nantes.fr/) au LHEEA/D2SE (https://lheea.ec-nantes.fr/)

Ingénieur ou Master

connaissances en thermodynamique appliquée / Energétique et Combustion

Intéret pour les activités expérimentales

motivation pour la recherche

autonomie, curiosité, rigueur