Etude de l'auto-allumage par réduction des schémas cinétiques chimiques : application à la combustion homogène diesel

Auto-ignition study by reduced chemical kinetic schemes. Diesel homogeneous combustion application

• Auteur / Autrice : Mohamed Embouazza
• Direction : Nasser Darabiha
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Énergétique
• Date : Soutenance en 2005
• Etablissement(s) : Châtenay-Malabry, Ecole centrale de Paris
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire d'énergétique moléculaire et macroscopique, combustion (Gif-sur-Yvette, Essonne)

Mots clés

Mots clés contrôlés

Combustion spontanée

Cinétique chimique

Moteurs diesel -- Combustion

Résumé

La simulation numérique de la combustion Diesel peut être utilisée d'une part pour réduire les émissions des gaz polluants et d'autres part pour développer des stratégies susceptibles de contrôler l'auto-allumage. Ces phénomènes demandent une description détaillée de la chimie. En particulier, pour les moteurs de type HCCI (Homogeneous Charge Compression Ignition Engine) où la combustion est pilotée par l'auto-allumage, le calcul de plusieurs dizaines d'espèces est nécessaire. Pour l'étude de l'auto-allumage, le n-heptane est choisi comme carburant modèle du gazole. Un schéma cinétique composé de 50 espèces et de 300 réactions est utilisé. Cette cinétique chimique a montré des différences de comportement en fonction des conditions de températures pour lesquels l'auto-allumage à lieu (basses ou hautes températures). Pour des températures intermédiaires une élévation de la température conduit à une augmentation du délai d'auto-allumage. Pour de basse température l'auto-allumage se déroule en deux étapes. Le temps consacré au calcul d'une chimie détaillée comprenant plusieurs dizaines d'espèces étant très élevé, nous proposons dans cette thèse une nouvelle approche, la méthode KAT (Kinetic Auto-ignition Tabulation). La méthode KAT a été appliquée au calcul d'une combustion par auto-allumage pour une configuration de moteur Diesel relativement réaliste. Les résultats conduisent à la réduction du temps de calcul d'un facteur 10 au minimum. Avec cette méthode, l'évolution temporelle et spatiale de chaque espèce chimique définie dans le schéma cinétique détaillée a pu être qualitativement estimée.

The numerical simulation of Diesel combustion can be used to develop accurate engine by reduced pollutant emissions and to control auto-ignition process. These phenomena require a detailed chemical kinetic schemes. For the HCCI (Homogeneous Charges Compression Ignition) engines where combustion is controlled by auto-ignition, the calculation of several tens to hundred species is necessary. For the study of auto-ignition, n-heptane is selected to model diesel fuel. A kinetic scheme composed of 50 species and 300 reactions is used. This chemical kinetics showed differences in behavior according to the initials conditions of temperatures for which auto-ignition take place (low or high temperatures). For intermediate temperatures a rise in the temperature leads to an increase in the time of auto-ignition. For low temperature auto-ignition proceeds in two stages. Because the time devoted to the calculation of a detailed chemistry including 50 species being very high, we propose in this thesis a new approach, the KAT (Kinetic Auto-ignition Tabulation) method. KAT was applied to calculation of an auto-ignition combustion for a relatively realistic configuration of diesel engine. The results lead to the reduction of the computing time by a factor 10 at least. With KAT method, the temporal and space evolution of each chemical species defined in the detailed chemical kinetic scheme could be qualitatively estimated.