Zoom in the Lab

40 - Le plasma en renfort de la combustion

Images synchronisées des émissions des espèces chimiques N₂ et CH issues de l'interaction d'une flamme avec une décharge de plasma
 Les plasmas sont capables de déclencher et accélérer la combustion dans des moteurs et des turbines. L’étude en banc d’essai de ces combustions assistées par plasma vise à mieux comprendre et optimiser ce phénomène.

Les plasmas équipent certains de nos téléviseurs. Ils pourraient un jour faire leur apparition dans les moteurs de nos voitures ou dans les réacteurs d'avion. Leur fonction : améliorer la combustion. Un plasma est un gaz partiellement ionisé, c’est à dire que les électrons de certaines molécules ont été éjectés¹. « Grâce au plasma, on rend le combustible plus réactif, ce qui permet de faire fonctionner des moteurs à des régimes où ils sont habituellement instables », explique Axel Vincent, chercheur au Département d'énergétique fondamentale et appliquée à l’Onera de Palaiseau. Le plasma permet d’enflammer plus facilement le combustible, d’accélérer la combustion, d’éviter les à-coups et les battements, et de favoriser l’homogénéité de la combustion. Bref, il agit comme un catalyseur de combustion. Parmi les applications envisagées : l'utilisation de mélanges pauvres en carburant, afin de diminuer les émissions de polluants (notamment les oxydes d’azote), le fonctionnement des micro-turbines², l'amélioration de la combustion supersonique.

L'injecteur est équipé d'un système d'électrodes assurant la génération du plasma dans la flamme.Nos plasmas sont créés par de fortes décharges, elles-mêmes générées en portant des électrodes à haute tension : 20 à 25 kilovolts. Ces décharges ont une durée de vie très courte, environ 100 nanosecondes (100 milliardièmes de seconde), et se répètent régulièrement, à une fréquence de 10 kilohertz. Les électrodes sont placées à l’extrémité de l’injecteur. Lorsque les décharges entrent en contact avec la base de la flamme, les électrons du plasma percutent les molécules d’air ou de combustible, et forment des espèces très réactives. Cela amorce et accélère la combustion. « Cet effet est atteint avec des puissances de décharge faibles : pour une flamme dont la puissance dégagée par la combustion atteint 3000 à 5000 watts, on a des effets satisfaisant dès 10 à 20 watts de décharge », précise le chercheur.

 

Cependant, avant de pouvoir utiliser les plasmas dans les moteurs et les turbines, nous devons mieux comprendre la manière dont ils influencent la combustion. Le plasma agit-il par des réactions chimiques, par élévation de température, ou par modification hydrodynamique des écoulements ? Ces études se situent à la frontière d'au moins deux disciplines : la science de la combustion et la physico-chimie des plasmas. Des moyens d’analyse multiples sont nécessaires pour étudier à la fois les décharges électriques et la physico-chimie qui en découle. Visualisation, par la mesure de l'intensité de l'émission lumineuse, de l'interaction de la flamme avec un filament de plasma C’est pourquoi l’Onera a conçu un banc d’essai spécialisé, avec des moyens d’analyse adaptés : « nous réalisons des images avec des temps de pose extrêmement courts (quelques nanosecondes) afin de visualiser l’interaction entre la décharge et la flamme », expose Axel Vincent. Les simulations numériques viennent compléter ces mesures. Résultat : « si l’effet thermique semble prépondérant, le rôle de la réactivité chimique ne peut être négligé : les deux effets sont couplés, et c’est ce qui les rend plus efficaces », indique Axel Vincent.

Ces études visent bien sûr à optimiser l’interaction plasma-combustion. « Nous avons déjà beaucoup appris sur l’endroit où créer la décharge ; le choix de l’emplacement des électrodes est très important, et dépend fortement de la géométrie de la chambre de combustion et de l’injecteur, de leurs dimensions, des régimes de combustion, de la vitesse d’écoulement, de la pression…», précise Axel Vincent. L’étape suivante consistera à implanter un système plasma sur des bancs d’essai de combustion existants, de taille plus importante. Les études concernent jusqu’à présent des flammes d’un kilowatt de puissance environ, et il faut maintenant passer à l’échelle supérieure, 100 kW, voire un mégawatt, plus proche des caractéristiques des moteurs d’avion. De plus, les recherches menées dans une vraie chambre de combustion devraient permettre d’analyser les produits de la combustion, afin d’observer d’éventuels effets sur les teneurs en polluants. « Si nous démontrions la pertinence de la technologie plasma dans des chambres de combustion de taille représentative, les applications pourraient voir le jour rapidement », estime Axel Vincent.

 

Effet des décharges plasma sur la hauteur de décollement de la flamme et sa vitesse de soufflage

Vidéo présentant le comportement d'un flamme de diffusion
et ses limites de fonctionnement "sans" puis "avec" assistance plasma.
On remarquera l'augmentation de la vitesse de soufflage
de près de 50 % (soit autant de puissance en plus dégagée
par la combustion).