Vers la prédiction des hydrocarbures imbrûlés pour la combustion diesel : étude expérimentale et numérique de flammes de diffusion à contre-courant

par Elodie Betbeder-Rey

Thèse de doctorat en Énergétique

Sous la direction de Nasser Darabiha.

Soutenue en 2008

à Châtenay-Malabry, Ecole centrale de Paris , en partenariat avec Laboratoire d'énergétique moléculaire et macroscopique, combustion (Gif-sur-Yvette, Essonne) (laboratoire) .

mots clés

• Chimie tabulée
• Décane
• Hydrocarbure imbrulé
• Flammes de diffusion
• Combustion
• Cinétique chimique

Résumé

Ces travaux de thèse ont été réalisés dans un contexte industriel en collaboration avec Renault. Ils s’inscrivent dans l’étude de la combustion du gazole dans les chambres de combustion automobile et en particulier, de l’effet de gaz brûlés sur la formation des espèces hydrocarbonées. L’objectif final de ces travaux est de proposer une méthode de réduction de schémas cinétiques adaptée aux modèles de combustion turbulente utilisée dans le milieu industriel, assurant une prédiction fiable des espèces polluantes formées au cours de la combustion. Une configuration de flamme laminaire 1D à contre-courant est retenue pour représenter les zones non-prémélangées qui succèdent à la phase d’auto-allumage d’un moteur Diesel dans un cycle moteur. Un banc expérimental couplé à système d’analyse est mis en place pour l’étude de combustibles lourds, le n-décane dans notre cas, permettant de mesurer les espèces chimiques formées dans une flamme de diffusion. L’influence de gaz brûlés sur la combustion est représentée expérimentalement, en étudiant la présence de dioxyde de carbone dans les flammes. Une étude numérique de cette configuration est effectuée conjointement et permet de valider le mécanisme chimique pour la combustion du n-décane. Une étude paramétrique numérique représentative de conditions moteur est ensuite réalisée, afin de quantifier les effets de gaz brûlés dans le cas de flammes de diffusion à contre-courant. L'élaboration de la base de données est ensuite effectuée, en choisissant les variables indépendantes caractéristiques pour la combustion automobile (température, pression, taux de gaz recirculés, taux de dissipation scalaire, et fraction de mélange).

Titre traduit

Toward the prediction of unburned hydrocarbons in Diesel combustion : experimental and numerical study of laminar counterflow diffusion flames.

Résumé

In Diesel engines, the combustion process can be described as three major successive steps : auto-ignition of the mixture, propagation of a premixed flame front and formation of a diffusion flame. Modeling unburned hydrocarbons production in such a complex configuration is a real challenge for the engine developers. The main objective of this work is to investigate the formation of unburned hydrocarbons produced during the last part of the combustion process, when the diffusion flame occurs. Diffusion flames are considered, since they are representative of the final step of the combustion occurring in Diesel engine. A counterflow geometry is then employed, which provides a nearly one-dimensional flat flame. The first part of this work is to provide resolved experimental data regarding the detailed structure of laminar counterflow diffusion flames of n-decane. Mole fraction of profiles of reactants and intermediate species are carried out by gas-sampling through microprobe and Gas Chromatography techniques. To understand the real role of a species contained in burnt gas, a part of N2 compounding air is replaced by CO2 in representative quantities. The influence of the CO2 substitution is significant on oxygenated species. Numerical simulations give a good agreement with the experimental results. The chemical mechanism is then used to investigate the influence of EGR (Exhaust Gas Recirculation) on pollutant emissions in engine thermodynamic conditions. The final part of this work is to elaborate a flamelet Library in taking account of engine parameters : initial temperature, pressure, scalar dissipation rate, burnt gas rate as a function of mixture fraction.