Modélisation de la combustion et des polluants dans la ligne d'échappement d'un moteur

par Jörg-Michel Anderlohr

Thèse de doctorat en Génie des procédés et des produits

Sous la direction de Frédérique Battin-Leclerc et de Roda Bounaceur.

Soutenue le 16-12-2009

à Vandoeuvre-les-Nancy, INPL , dans le cadre de RP2E - Ecole Doctorale Sciences et Ingénierie des Ressources, Procédés, Produits, Environnement , en partenariat avec LRGP - Laboratoire Réactions et Génie des Procédés (laboratoire) .

Le président du jury était Christine Mounaim-Rousselle.

Le jury était composé de Frédérique Battin-Leclerc, Roda Bounaceur, Christine Mounaim-Rousselle, Nasser Darabiha, Jean-François Pauwels, Gladys Moréac, Naoufal Bahlawane, Antonio Pires Da Cruz.

Les rapporteurs étaient Nasser Darabiha, Jean-François Pauwels.


  • Résumé

    L'objectif de ce travail de thèse est le développement d'un modèle numérique prédictif pour la simulation des phénomènes de postoxydation dans la ligne d’échappement d’un moteur à combustion interne. Le modèle a été écrit pour reproduire le processus d'auto inflammation des hydrocarbures durant la postoxydation, mais également l'évolution des polluants et des produits de combustion en général. Ceci a nécessité de mettre au point un schéma cinétique détaillé qui tienne compte de la chimie à basse température des hydrocarbures et de l'influence sur cette chimie des différentes espèces majeures présentes dans les gaz brûlés à postoxyder. Ces espèces sont le CO2, le H2O et le N2, qui agissent comme diluants, mais également des polluants tels que le CO ou les NOx. Ces derniers, même en faibles concentrations, peuvent avoir un effet important sur l’oxydation des hydrocarbures qui doit aussi être prise en compte dans le modèle chimique.Afin de considérer, en plus de la chimie, et les phénomènes physiques de la postoxydation, tels que la turbulence et les effets de mélange, ce schéma cinétique a été couplé à un modèle de combustion turbulente adapté à l'utilisation dans un code CFD 3D moteur. Ce couplage a été effectué via une tabulation a priori de la chimie, méthode qui permet de réduire considérablement le temps de calcul, tout en décrivant l'ensemble des phénomènes liés à la chimie détaillée. Une technique de tabulation de la cinétique chimique a donc été développée et implantée dans un code CFD. Une configuration permettant de représenter les phénomènes caractéristiques de la postoxydation dans la ligne d'échappement d'un moteur à combustion interne a été simulée. Les résultats permettent de mieux appréhender ces phénomènes et de proposer des solutions technologiques visant à leur optimisation

  • Titre traduit

    Modelling of the combustion and the polluants in the exhaust line of an IC-engine


  • Résumé

    The aim of this PhD thesis is the development of a predictive numerical model capable of simulating hydrocarbon postoxidation in an IC engine exhaust line. The model should reproduce the auto-ignition of hydrocarbons, as well as the evolution of pollutants and combustion products under postoxidation conditions. For this purpose, a detailed kinetic reaction model was developed. It should be valid at low temperatures and under highly diluted conditions. The model should also take into account the effects of the major components of engine exhaust gas on hydrocarbon postoxidation. These are CO2, H2O, and N2, acting as diluting species, but also CO and NOx, which even in small amounts, may strongly impact hydrocarbon oxidation kinetics. These species must hence be considered for postoxidation modelling.In order to gather chemical and physical effects such as turbulence and mixing, the chemical kinetic mechanism was coupled with a turbulent combustion model designed for CFD 3D engine computations. An a priori tabulation methodology was developed, minimizing computational effort and the developed tabulation technique was validated under postoxidation conditions in an IC-engine exhaust line. The coupled chemical kinetics tabulation and turbulent mixing model was implemented in the CFD code IFP-C3D. Simulations were performed on a configuration representative of the physical phenomena characteristic of hydrocarbon postoxidation in exhaust lines. Results improved the understanding of postoxidation phenomena in an IC-engine exhaust line and propose technical solutions for an enhanced postoxidation control


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