Diagnostic des plasmas de combustion par sonde d'ionisation : application à l'étude de l'interaction flamme-paroi instationnaire

Les sondes d'ionisation sont utilisees depuis longtemps pour realiser des diagnostics dans les plasmas. Les recherches pour appliquer cette technologie dans le domaine de la combustion sont motivees par le fait que la flamme genere des especes chargees et se comporte donc comme un plasma faiblement ionise. Differentes applications de cette technique ont ete etudiees au cours de ces dernieres annees. Ces etudes ont montre que le courant d'ionisation depend de nombreux parametres lies a la combustion (richesse, pression, temperature…) mais le manque d'outils theoriques rend l'interpretation des resultats complexe et limite pour l'instant l'utilisation de la technique, particulierement sur les moteurs a combustion interne. L'objectif de cette these est de proposer des outils theoriques simples permettant de mieux comprendre les phenomenes d'interaction flamme-sonde et de demontrer le potentiel de ce diagnostic en particulier pour l'etude de l'interaction flamme-paroi. Pour les motoristes l'enjeu des technologies futures sera de proposer une motorisation ayant de faibles emissions polluantes tout en conservant un cout de conception et de realisation competitif. La diminution des niveaux d'emission de CO2 et de polluants devra donc passer par des technologies innovantes sans toutefois avoir recours a des post-traitements trop complexes et donc couteux. L'une des caracteristiques de la combustion dans un moteur a allumage commande est que la flamme atteint par endroit la paroi alors que seulement 30% de la charge a ete consommes. Ainsi une grande partie du combustible brule en proche parois. La presence de cette forte proportion de combustible au niveau de la paroi s'explique par le fait que la charge fraiche se trouvant devant la flamme de premelange est comprimee sous l’action combinee du mouvement du piston et de la detente de gaz brules situes derriere le front de flamme, l'essentiel de la charge se trouvant alors concentree pres des bords de la chambre. Ainsi pour le developpement et l'amelioration du fonctionnement des moteurs a allumage commande, il est indispensable de s'interesser aux mecanismes de l'interaction flamme-paroi. Les techniques de diagnostic qui sont utilisees aujourd’hui pour mesurer les parametres caracteristiques de l'interaction flamme-paroi ne fonctionnent pas dans certaines conditions de pressions et de temperature. Les echelles spatiale et temporelle du phenomene diminuent en effet fortement sous l'effet d'une augmentation de la pression. Ainsi les techniques optiques sont limitees par leur resolution spatiale. Les travaux proposes dans cette these montrent que les sondes d’ionisation permettent de mesurer les parametres qui caracterisent l'interaction flamme-paroi et notamment pour des conditions de pression et de temperature superieures a celles des autres methodes. Le developpement de modeles theoriques simples ont permis de mesurer differents parametres comme la distance de coincement de la flamme, la vitesse de flamme ou bien encore la temperature, a partir de l'analyse du courant d'ionisation. Ces mesures ont ete realisees pour differentes geometries d'interaction flamme-paroi et differents type de melanges. Des mesures combinees par diagnostics optiques (PIV, LIF, visualisation directe) et par mesure du flux de chaleur parietal ont permis de valider l'ensemble des resultats obtenus sur differentes gammes de pression. Le diagnostic par sonde d'ionisation permet donc de mesurer avec une bonne resolution spatio-temporelle les parametres de l'interaction flamme-paroi. L'amelioration du diagnostic passe notamment par une augmentation de la frequence d’excitation de la sonde (Radio-frequence). Cependant les essais realises ont mis en evidence que les mecanismes de conduction de la flamme changent sous l'influence de nombreux parametres comme la densite du gaz ou la frequence d'excitation. Les resultats obtenus sur la polarisation de la flamme montrent notamment une augmentation de la chute de potentiel anodique sous l'effet de la pression. Les proprietes electriques de la flamme a haute pression ont donc ete etudiees experimentalement et theoriquement. La modelisation de la cinetique chimique de la flamme a haute pression a permis de mettre en evidence la diminution de la concentration d'electrons dans le front de flamme. Par ailleurs les mecanismes d'attachement et de detachement electroniques qui ont lieu dans la zone de coincement ont un impact fort sur les mecanismes de polarisation de la flamme. Il est donc necessaire de tenir compte des effets de densite du gaz dans les modeles de courant d'ionisation a haute pression. L'amelioration des techniques de mesures du courant d'ionisation proposees dans cette these passe donc a l'avenir par une etude approfondie des proprietes electriques de jonctions.