habilitation à diriger des recherches olivier le corre 21 octobre 2003 1 nergétique des systèmes...

Habilitation à Diriger des RecherchesHabilitation à Diriger des Recherches Olivier Le Corre Olivier Le Corre 21 Octobre 2003 21 Octobre 2003

1

nergétique des Systèmes Moteursalimentés par des Combustibles Gazeux

E

Mémoire de synthèse d’activités scientifiques

O. Le Corre

Habilitation à Diriger des Recherchesde l’Université de Nantes


2

uelques éléments uelques éléments biographiquesbiographiques

Q

•1992 : Ingénieur ISITEM

•1992 : DEA Univ. Nantes - ECN

•1995 : Diplôme de thèse en Energétique de l’E.N.S.M.P.•1995 : Thèse en Energétique EMP

•depuis 1995 : Maître-assistant EMN

•1992 : Diplôme de DEA « Dynamique des fluides et des transferts » Université de Nantes

•1992 : Diplôme ISITEM, Nantes


3

Thermodynamique Moteur Dimensionnement d’installations

Plan de l’exposélan de l’exposé

Conclusion - Perspectives

PLAN

Thermodyn.

Thermo-éco.

Conclusions Perspectives


4

PLAN

Thermodyn.

Thermo-éco.


ThermodynamiquehermodynamiqueMoteur AlternatifMoteur Alternatif


5

PLAN

Thermodyn.

Thermo-éco.


1. Composition du carburant gazeux

3. Combustion commandée

2. Banc d’essais : Diagramme Entropique

4. Combustion dual-fuel

5. Combustion Anormale :

Modèle haute fréquence

6. Moteur embarqué



6

Variation de qualité du gaz naturel

IM

Conditions favorables au cliquetis

Capteur

Réglages moteurs

Prévention du cliquetis

Suivi en continu des variations de qualité du GN

GisementA

GisementB

GisementC

1, …, n

IM

Objectif :

ProblématiqueProblématique

Doctorat de C. Rahmouni (2003)

C aractérisation aractérisation combustible gazeuxcombustible gazeux

PLAN

Thermodyn.

Thermo-éco.



7

Base

de G

az Modèles Etude

statistique Pseudo-gaz

IMn

PCIn

PCOn

Wobn1, …, n

Partie numérique

MéthodologieMéthodologie

1, 2

Partie expérimentale

Pseudo-gazCapteur

IMt

PCIt

PCOt

Wobt

Chromatographe

IMm

PCIm

PCOm

Wobm

?


PLAN

Thermodyn.

Thermo-éco.



8

propriétés GN

IM, IR, .c 293, c

393, PCI

99.8 %

98.2 %

99 %

Analyse statistiqueAnalyse statistique


PLAN

Thermodyn.

Thermo-éco.



9

Diagramme ternaire - Pseudo-gazDiagramme ternaire - Pseudo-gaz


PLAN

Thermodyn.

Thermo-éco.


+ de 97% IM

100% du PCI

2 propriétés physiques 3 composés du GN


10

2 cellules de mesures2 résistances chauffantes2 thermocouples de type K

Réalisation d’un capteurRéalisation d’un capteur


PLAN

Thermodyn.

Thermo-éco.



11

IM r

éel

IM corrigé en CO2

RésultatRésultat


PLAN

Thermodyn.

Thermo-éco.


ternaire


12






PLAN

Thermodyn.

Thermo-éco.




6. Moteur embarqué


13

Motoring

D iagramme iagramme entropiqueentropique

M. J. Stas (1996) & A. Hribernik (1998)

Etat de l’artEtat de l’artPLAN

Thermodyn.

Thermo-éco.


-100 0 100 200 300 400 500 600 700 8000

2

4

6

8

10

12

14

16

18

20

TDC


14

Temperature[K]

Entropie

Température [K]

T1

Tmax

T2

CAS IDEAL

Erreur de +0.5°V

Entropie

Pas d’erreur de phase

Erreur de +0.75°V

Erreur de +1°V

Température [K]

CAS avec erreurde calage du PMH


Concept théoriqueConcept théorique

Méthodologie de calage du PMH

PLAN

Thermodyn.

Thermo-éco.



15

Température [K]


Méthodologie de calage du PMHMéthodologie de calage du PMHPLAN

Thermodyn.

Thermo-éco.



16

Température [K]

Boucle

Réglage initial CAS A –

Entropie

Boucle plus faible

Entropie

Après correction de –0.1 cf. CAS A –

Température [K]

Température [K]

Plus de boucle

Entropie

Correction de –1.3°Vcf. CAS B –

Température [K]

Entropie

Diagramme symétriquecf. CASE C –


ApplicationApplicationPLAN

Thermodyn.

Thermo-éco.



17

Concept théoriqueConcept théorique

Température [K]

0V0V

0V

S N'S

P'S

Entropie

CR=1130% WOTActual TDC

Température [K]

Entropiee

T-S – Erreur sur VolumeMort Lister-Petter

Application

Température [K]

Diagr.T-S (corrigé)Lister Petter

Entropie

Méthodologie de calage du PMH et du taux de compression


PLAN

Thermodyn.

Thermo-éco.



18






PLAN

Thermodyn.

Thermo-éco.




6. Moteur embarqué


19

Gaz frais

Front de flamme

Gaz brûlés

A

Combustion ombustion commandéecommandée

Doctorat de S. Rousseau (1999)

ProblématiqueProblématique

)1(ˆ)(

1)( 0

m

abeqq

PLAN

Thermodyn.

Thermo-éco.



20

Durée de combustion

80,10969,00314,0* wm

Badmsbb PA %95

63,291ln83,101097,0exp79,196 A0101,18133,0 B

Délai d’ignition

848,380,635,0%1%1 sii

Paramètres de la loi de WiebeParamètres de la loi de Wiebe


PLAN

Thermodyn.

Thermo-éco.



21

Comparaison Modélisation - ExpérimentationPression Cylindre

Diagramme de pressionDiagramme de pression


PLAN

Thermodyn.

Thermo-éco.



22






PLAN

Thermodyn.

Thermo-éco.




6. Moteur embarqué


23

Combustion ombustion dual-fueldual-fuel

ConceptConceptPLAN

Thermodyn.

Thermo-éco.



24

Angle vilebrequin, °V

Dég

agem

ent

de

chal

eur,

J/°

V

Dégagement total de chaleur

Procédure de modélisation proposée à l’aide de trois

simples lois de Wiebe

•Procédure appliquée pour un moteur carburant gazeux - diesel

•Faible erreur (< 2%)

•Simplicité à l’utilisation


ConceptConcept

Doctorat de A. Bilcan (prévu fin 2003)

PLAN

Thermodyn.

Thermo-éco.



25


RésultatRésultat

BIO60C70

BIO60C70

PLAN

Thermodyn.

Thermo-éco.



26






PLAN

Thermodyn.

Thermo-éco.




6. Moteur embarqué


27

Sites auto-inflammation

Ondes de choc

Dégâts par arrachement de

métal

A B C

Doctorat de G. Brecq (2002)

Combustion ombustion anormaleanormale

ProblématiqueProblématiquePLAN

Thermodyn.

Thermo-éco.



28



Thermodyn.

Thermo-éco.



29

Diana et al (1998)

Relation linéaire entre deux indicateurs

IMPG = a

IMPO

dp~

0

Indicateurs moyensIndicateurs

cycliques Impossible de résoudre dans le cas le plus

général

IMPO & IMPGInt. Dérivée des Oscillations

d

d

p~d0


Etat de l’artEtat de l’artPLAN

Thermodyn.

Thermo-éco.


d

d

pd

N 0

~1= a

dp

N 0

~1


30

Oscillations non-amorties Courbe enveloppe

Modèle acoustique de Draper (1934)

Modèle d’enveloppe ?


AnalyseAnalysePLAN

Thermodyn.

Thermo-éco.



31

IMPGenv = a

IMPOenv

?

0

0,4

0,8

1,2

1,6

2

2,4

2,8

3,2

3,6

0 5 10 15 20

IMPO env [bar.°V]

IMPGenv [b

ar]

IM = 76, = 0,85, r = 80 % et = 14 °V =

a

d

d

pd env

0

dpenv

0

02 envenvenv p'p''p

222

11²²a²a

env eea

eCap

Avec a

, et C

Pente à l’origine

Paramètres définissant

a

Analyse de l ’enveloppe

envp

0

2 dte²t


Nouveau conceptNouveau conceptPLAN

Thermodyn.

Thermo-éco.



32


Doctorat de A. Bilcan (prévu fin 2003)

PLAN

Thermodyn.

Thermo-éco.



33


Dispersion cycliqueDispersion cycliquePLAN

Thermodyn.

Thermo-éco.


Analyse symbolique - Entropie modifiée de ShannonAnalyse symbolique - Entropie modifiée de Shannon


34

CLQ1 CLQ2 CLQ3 CLQ4IMPO 0.166 0.170 0.104 0.218IMPG 0.173 0.122 0.068 0.190 0.154 0.134 0.127 0.154 0.191 0.195 0.131 0.517C 0.120 0.154 0.174 0.091


Taux irréversibiltéTaux irréversibiltéPLAN

Thermodyn.

Thermo-éco.



35






PLAN

Thermodyn.

Thermo-éco.




6. Moteur embarqué


36


Thermodyn.

Thermo-éco.


Moteur oteur embarquéembarqué

Doctorat de F. Pirotais (prévu debut 2004)


37



Thermodyn.

Thermo-éco.



38

Etat de l’artEtat de l’art

Auteur Laboratoire Année G H MKaplan M.I.T. 1990 3 1 4Schuck Paris VI 1991 5 0 0

Alexandre et Zitouni L.E.T. ENSMA, Poitiers 1991 6 5 20Shayler et al. M.M.M.E.M. - Univ. Nottingham, G.B. 1993 1 2 23

J arrier et Gentile L.M.P. Saint-Cyr-l'Ecole 1997 9 9 12J arrier (thèse) L.M.P. Paris VI 1999 5 14 33

Recouvreur E.N.S.M.A. Univ. Poitiers 1999 3 14 48J arrier et al. L.M.F.A. - E.C.Lyon & Université de Versailles 2000 7 14 30

Yoo et al. DELPHI Automotive Syst, USA 2000 1 0 0Roumégoux INRETS, Lab. Transp. Env. à Bron 2000 0 1 0

Cortona et Onder Lab Engine Syst., Swiss Fed. Inst. of Tech Zurich 2000 6 0 2Samhaber et al. C.D.L.T.I.C.E., Univ. Techno. Graz, Austria 2001 - - 21Lehner et al. Michigan Technological Univ., USA 2001 1 0 1

Samhaber et al. C.D.L.T.I.C.E., Univ. Techno. Graz, Austria 2002 - - 16Markel et al. N.R.E.L. - USA 2002 1 0 3

PLAN

Thermodyn.

Thermo-éco.




39

MéthodologieMéthodologiePLAN

Thermodyn.

Thermo-éco.




40

Maillage d’un cylindreMaillage d’un cylindrePLAN

Thermodyn.

Thermo-éco.




41

Réseau de noeudsRéseau de noeudsPLAN

Thermodyn.

Thermo-éco.




42

RésultatsRésultatsPLAN

Thermodyn.

Thermo-éco.




43

PLAN

Thermodyn.

Thermo-éco.


Dimensionnementimensionnementd’installations d’installations énergétiquesénergétiques


44

Dimensionnementimensionnementd’installationsd’installations

Etat de l’artMéthode d’optimisation

• Statique• Dynamique• Décomposition/Coordination

Installations énergétiques• Modélisation• Optimisation

- Point initial- Solveur

• Analyse de la solution


Thermodyn.

Thermo-éco.



45



Thermodyn.

Thermo-éco.



46

1. Approche horaire

2. Approche indicielle


ApprocheApprochePLAN

Thermodyn.

Thermo-éco.



47

Cogénérationogénérationindustrielleindustrielle

PLAN

Thermodyn.

Thermo-éco.



48


PLAN

Thermodyn.

Thermo-éco.



49


RésultatRésultatPLAN

Thermodyn.

Thermo-éco.



50

RésultatRésultat


PLAN

Thermodyn.

Thermo-éco.



51

Eaux

Boues

Biogaz

Eau chaude

Compression

AirWastewater

Eaux traitées

Résidus solidesDigestion

primaireDigestion

secondaire

Chaudière

Electricité

Décantation secondaire

Décantation primaire

Réservoir d’aération

Moteur

Traitement biogaz

SchémaSchéma

C ogénération biogaz: ogénération biogaz: traitement des eaux uséestraitement des eaux usées

Doctorat de I. Bitir (2002)

PLAN

Thermodyn.

Thermo-éco.



52

Données énergétiques:•Débit d’eaux usées : 100.000 m3/jour

•Débit de biogaz : 13.000 m3/jour

•Contenu énergétique : 88 MWh/jour

•Besoin électrique: 29 MWhe/jour

•Besoin thermique: 26 MWht/jour

Résultats:•Puissance du moteur Biogaz

•Production annuelle d’énergies

•Réduction de pollution CO2

•Degré d’autonomie et économie d’énergie

•Temps de retour brut

ExempleExemple


PLAN

Thermodyn.

Thermo-éco.



53

•Puissance nominale électrique: 1.1 MW

•Rendement électrique: 30%

•Fonctionnement: Pleine charge

•Disponibilité: 100%

•Production électrique: 26 MWhe/jour

•Production thermique: 26 MWht/jour

RésultatRésultat


PLAN

Thermodyn.

Thermo-éco.



54

0102030405060708090

100

50 55 60 65 70 75 80 85 90 95 100

Time availability (% )

Aut

onom

y de

gree

(%

)

02468

1012141618

50 55 60 65 70 75 80 85 90 95 100


PB

P (y

ears

)

0

1020

3040

5060

7080

90

50 55 60 65 70 75 80 85 90 95 100


CO

2 r

educ

tion

(t/d

)

0

10

20

30

40

50

60

70

80

50 55 60 65 70 75 80 85 90 95 100

Time availability (%)

Fuel

sav

e (M

Wh/

d)

45%

65%CH4

Etude de sensibilitéEtude de sensibilité


PLAN

Thermodyn.

Thermo-éco.



55

W

Wb

WEncg

Wcg

Production combinéechaleur et travail

Encg

Ecg

E

Qcg Récup.Qd

Chaudière d’appoint

Qv QWQv

Comp.

Abs.

WFcv

WFav

Système compression

Système absorption

EFb

QFb

Fcb

Fab

Fb

F

Qb

Fcv

Fav

Fv

Trigénérationrigénération

Doctorat de E. Minciuc (2003)

SchémaSchémaPLAN

Thermodyn.

Thermo-éco.



56

Performance d’une installation de tri-génération

Indice de tri-génération

Electricité bE

Eα

E

Chaleur bQ

Qα

Q

Froid bF

Fα

F

pWFQE

triCOP


DéfinitionDéfinitionPLAN

Thermodyn.

Thermo-éco.



57


DéfinitionDéfinitionPLAN

Thermodyn.

Thermo-éco.


0

0

Q

tri

E

tri

COP

COP

gmE

Q

ng

vy

11

11

*

cg

cg

Q

Ey Ratio Force/Chaleur

Conditions d’optimalité


58

Dépendance du COPtri avec Q

0,5

0,6

0,7

0,8

0,9

1

0 0,2 0,4 0,6 0,8 1

Q

EET

y<y*

y*

y>y*


RésultatRésultatPLAN

Thermodyn.

Thermo-éco.



59

PLAN

Thermodyn.

Thermo-éco.


C onclusiononclusion


60

PLAN

Thermodyn.

Thermo-éco.




Doctorat C. Rahmouni


Doctorat S. Rousseau

5. Combustion dual-fuelDoctorat A. Bilcan

4. Combustion Anormale : Modèle haute fréquence

Doctorat G. Brecq

6. Moteur embarqué Doctorat F. Pirotais



61

1. Dimensionnement d’usine d’incinération d’ordures ménagères

2. Dimensionnement d’installation de MAG en cogénération sur Biogaz

I. Bitir - Thèse UPB

3. Dimensionnement technico-économique d’installations de tri-génération

E. Minciuc - Thèse UPB


PLAN

Thermodyn.

Thermo-éco.



62

• PASCAL : 10 références[A1], [A2], [A6], [A8], [A9], [A10], [A14], [B1], [C9], [D1]

Europ. J. Mechan. and Env. Eng. - Appl. Thermal Eng.SFT - Entropie - Déchets: Sc. & Tech. - Rec Prg Génie. Proc.Thèse

• British Library : 22 références[A3], [A4], [A7], [A8], [A9], [A10], [A13], [A14], [A15], [A17], [A18], [B2], [B3], [B4], [B5], [B7], [B10], [B11], [B12], [B13], [B14],[C10]

Appl. Thermal Eng. - Fuel - Am. Soc. Agricul. Eng. - A.S.M.E.Europ. J. Mechan. and Env. Eng.S. A. E.Entropie

Rem: Absence complète • ECOS dans les bases de données [B6], [B8], [B9], [B20]• Int. Journ. Applied Thermodynamic [A5]

roduction scientifiqueroduction scientifiquePPLAN

Thermodyn.

Thermo-éco.



63

econnaissance econnaissance académiqueacadémique

R

Chairman

Reviewer

Conférence sur invitation

D.E.A. & Thèse• Membre de jury de 15 DEA et de 4 thèses• Encadrement direct de 9 étudiants de DEA• Encadrement de 6 thèses soutenues et de 4 en cours

• IFOR’96 (Canada)• ICOPE’97 (Japon)

• ASME (conférences)• Applied Thermal Eng. (revue)

• Université d’Osaka

PLAN

Thermodyn.

Thermo-éco.



64

Perspectiveserspectives

PLAN

Thermodyn.

Thermo-éco.




65


Contexte

• Crise énergétique sous-jacente

• Développement durable

• Effets environnementaux

• Nécessité de ressources pérennes

• Remise en cause de réseaux électriques centralisés

PLAN

Thermodyn.

Thermo-éco.




66


• Utilisation de « bio-carburants gazeux » Impact énergétique et environnemental

- biogaz CET ou UTEE- gaz de gazéification

• Limiteur de cliquetis

• Courbe Enveloppe - Analyse Ondelettes

Adéquation Carburant Gazeux - Moteur à Combustion Interne


PLAN

Thermodyn.

Thermo-éco.



67

Questions ?uestions ?


68

4. M. Tazerout

1. Jeunes thésards formés ou en cours de formation

Remerciementsemerciements

1. Jeunes thésards formés ou en cours de formations

2. Centre de documentation 2. Centre de documentation

3. Centre informatique 3. Centre informatique

4. M. Tazerout

habilitation à diriger des recherches olivier le corre 21 octobre 2003 1 nergétique des systèmes...

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