Simulation de la formation de la Post-oxydation des hydrocarbures imbrûlés pour les moteurs essence

Dans le contexte des réglementations Euro5, pour la combustion essence, les nouvelles stratégies d injection et de combustion (p. ex. : injection directe, dilution par recirculation des gaz brûlés, combustion par auto-inflammation, etc.) sont étudiées pour réduire : la consommation d essence, les émissions d oxydes d azotes et la quantité de matériaux précieux pour les catalyseurs. Malheureusement, ces stratégies tendent à augmenter les émissions hydrocarbures imbrûlés (HC). Différentes études ont permis de montrer qu un des facteurs prépondérant pour la formation des HC est l interaction de la flamme avec la paroi (FWI). Le premier objectif du travail a été de sélectionner des schémas cinétiques pour l essence (un semi-détaillé et un réduit) capable de représenter l évolution des HC : Golovichev (121 espèces et 611 réactions) et Hasse (29 espèces et 48 réactions). Pour modéliser la FWI, premièrement, on a utilisé un Modèle de Réacteur Stochastique avec Golovichev utilisant un modèle d échange avec la paroi qui est basé sur Curl Modifié. L étude de différentes valeurs de paramètres physiques (pression, température de paroi Tp, richesse et intensité de contact à la paroi) ont permis de comprendre comment l interaction flamme / paroi et les HC évoluaient durant la combustion. Ainsi, lorsque la combustion se déroule idéalement , la production de HC est très faible. En revanche, lorsque la combustion est incomplète du aux échanges nombreux avec la paroi, le niveau de HC devient très élevé. Enfin, une variable d avancement CHC a été définie afin d obtenir une représentation simple de l évolution des HC durant la combustion. Dans une seconde partie, deux configurations sont considérées avec Hasse : extinction de flamme (HOQ) sur une paroi et une crevasse,. Le but de cette partie, est d utiliser une simulation de flamme laminaire (LFS) pour comprendre comment les HC imbrûlés sont produits à proximité de la paroi. Dans la configuration HOQ, le front de flamme se propage jusqu à la paroi froide où une extinction se produit. Différents aspects du coincement de la flamme comme l oxydation des HC imbrûlés, le flux de chaleur à la paroi, les distances de coincement aussi bien que les familles de HC sont observés en faisant varier des paramètres comme Tp et . Dans une seconde partie, les crevasses sont utilisées pour étudier l impact des imperfections des parois dans la chambre de combustion. Des configurations avec différents Tp et épaisseurs (e) sont testés. Lorsque la crevasse n est pas assez large et que la Tp est froide, la flamme ne peut se propager dans ce dispositif et la quantité de HC est plus petite que dans le cas où la flamme peut se propager (mais le carburant n est pas oxydé). Si la crevasse est assez large pour que la propagation de la flamme ait lieu, alors une HOQ se déroule à la paroi du fond et les HC avec le carburant s accumulent dans les coins. Les résultats numériques obtenus dans ce travail démontrent que la LFS permet de reproduire les mécanismes de combustion incomplète qui sont responsables d une majeure partie de la production de HC dans les moteurs essences. Enfin, une étude de faisabilité de l intégration d une tabulation des HC dans le modèle de combustion turbulent ECFM pour des calculs RANS a été réalisée.Due to the Euro5 norms, for gasoline combustion, new strategies of injection and combustion (for instance: direct injection, exhaust gas recirculation, combustion by auto-ignition) are studied to reduce: consumption, nitrogen oxides emissions and precious metals for catalyzer. Unfortunately, these new strategies tend to increase the unburnt hydrocarbon (HC) emission levels. Various studies show that a main mechanism of HC production is the flame / wall interaction (FWI). The first goal of this study consists in selecting two chemicals mechanisms for gasoline (a semi-detailed and a skeletal) to represent HC formation: Golovichev (121 species and 611 reactions) and Hasse (29 species and 48 reactions). To model FWI, first, we use a Stochastic Reactor Model (MRS) with Golovichev using a wall exchange model based on Curl Modified. The study of different physical parameters (pressure, wall temperature Tp, equivalence ratio and intensity of wall contact) allows to understand how flame wall interaction and unburnt HC progress during combustion. Thus when the combustion occurs "ideally", HC production is very low. However, when combustion is incomplete, HC levels becomes very high. Finally, a progress variable CHC is defined to obtain a simple representation of HC evolution during the combustion. In a second part, two configurations are considered with Hasse: head-on quenching (HOQ) on a planar wall and in crevices. The aim of this part is to use laminar flame simulation (LFS) to understand how the unburnt HC are produced near the wall. In the HOQ configuration, the flame front propagates toward the cold wall where quenching occurs. Several aspects of flame wall quenching such as oxidation of unburnt HC, wall heat flux, quench distances as well as HC families are investigated by varying parameters like Tp and . In a second part, crevices are considered to study the impact of wall imperfections in combustion chambers. Configurations with different Tp and thickness (e) are tested. When the crevice is not wide enough and Tp too cold, the flame cannot propagate in the device and the quantity of HC is smaller than in the case where the flame can propagate (but the fuel is not oxidized). If the crevice is wide enough to allow a propagating flame, HOQ occurs at the bottom of the crevice and HC with fuel accumulate in the corners. The computational results obtained in this work demonstrate the ability of LFS to reproduce incomplete combustion mechanisms that are responsible for a major part of HC production in gasoline engines. Finally, a feasibility study of integration of HC tabulation in turbulent combustion model ECFM for RANS simulation has been realized.ROUEN-BU Sciences Madrillet (765752101) / SudocSudocFranceF

Flame/Wall interactions: laminar study of unburnt HC formation

International audienceThis work presents a numerical study dedicated to the formation of unburnt hydrocarbon. Two configurations: head-on quenching (HOQ) on a planar wall and in crevices, are considered. It is well known that they contribute for an important part to the sources of hydrocarbon (HC) emission in a combustion chamber. The aim of this work is to use laminar flame simulations (LFS) to understand how the unburnt HC are produced near walls in gasoline engine. A skeletal mechanism (29 species and 48 reactions) mimicking iso-octane combustion is used. In the HOQ configuration, the flame front propagates toward the cold wall where quenching occurs. The numerical procedure and the chemical scheme used in this study are first validated by comparisons with literature results for the 1D case. Several aspects of flame wall quenching such as oxidation of unburnt HC, wall heat flux, quench distances as well as HC families are investigated by varying parameters like wall temperature and equivalence ratio. In a second part, crevices are considered to study the impact of wall imperfections in combustion chambers. Configurations with different geometrical and thermodynamic properties are tested. It leads to a wide range of flame properties and HC production modes. When incomplete combustion occurs, total HC (fuel + HC) concentration can reach very high levels at the wall. When the crevice is not wide enough, the flame cannot propagate and the quantity of HC is smaller than in the case where the flame can propagate (but the fuel is not oxidizing). If the crevice is wide enough for the flame to propagate, HOQ occurs at the bottom of the crevice and HC accumulate in the corners. The computational results obtained in this work demonstrate the ability of LFS to reproduce incomplete combustion mechanisms that are responsible for a major part of HC production in gasoline engines