En tant que carburant pour les moteurs modernes à allumage commandé, le gaz naturel a un fort potentiel de réduction de CO₂, avec un faible taux d’azote NOx et sans émission de suies. Pour les applications mobiles, le gaz naturel est injecté sous forme de « gaz naturel comprimé » (CNG). Les moteurs existants à CNG n’utilisent pas tout le potentiel de ce carburant, telsl qu’un taux plus élevé d’anti-cliquetis que dans les essences, et un rendement thermique comparable aux moteurs à diesel. La difficulté principale pour exploiter pleinement ce potentiel est de déterminer le mélange optimal CGN/air.

The German Federal Ministry of Education and Research a financé le projet « OMeGa-E - Optische Messung der Gemischbildung am Erdgasmotor“ (Mesures optiques de formation de mélange dans un moteur à gaz naturel). Les partenaires de ce projet sont Volkswagen, en tant qu’utilisateur de cette technologie, l’Institut de Combustion et Dynamique des Gaz de l’université de Duisburg-Essen pour les systèmes d’imagerie, le Laboratoire Laser de Göttingen, responsable de la technologie du capteur, et la société LaVision GmbH de Göttingen comme fournisseur spécialisé dans les systèmes de mesure optiques.

Capteurs optiques et imagerie laser pour optimiser la formation de mélange

Lors de ce projet, deux techniques de mesures différentes ont été développées et éprouvées sur des bancs d‘essais moteur en conditions réelles. Elles fournissent des outils de mesure optiques sophistiqués pour les motoristes afin d’optimiser les moteurs à gaz naturel.
Le système ICOS de LaVision a été amélioré pour déterminer la concentration de méthane et CNG. En utilisant simplement une sonde au niveau de la bougie d’allumage, la fraction locale de gaz CNG est mesurée en continu avec une grande résolution temporelle. Cela permet une analyse résolue en angle vilebrequin de la formation de mélange et le rapport local air/ carburant.

Evolution temporelle du rapport air/carburant à la bougie d’allumage lors de l’injection de méthane CH₄ et de CNG.

Par ailleurs, une méthode d’imagerie 2D par nappe laser a été développée pour obtenir la distribution du rapport air/carburant. On visualise le CNG en ajoutant un traceur fluorescent dans le gaz. La lumière diffuse parasite dans la chambre de combustion est réduite grâce à la méthode SLIPI afin d’obtenir des valeurs quantitatives de lambda et la température du gaz.
L’avancée principale de ce projet a donc été l’amélioration de ces deux systèmes qui permettent de mesurer localement la température du gaz, puisque l’évaluation de la concentration en CNG dépend de la température.

Distribution 2D du rapport air/carburant dans la chambre de combustion lors de la formation de mélange de méthane et d‘air

Avec ces deux techniques, utilisées séparément ou simultanément, on peut suivre le mélange et l’homogénéisation du CNG avec l’air entrant. Ces mesures aident à améliorer les simulations numériques et à mieux comprendre les procédés complexes des moteurs modernes sur une grande plage dynamique.