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UNIVERSITÉ D’ORLÉANS ÉCOLE DOCTORALE SCIENCES ET TECHNOLOGIES LABORATOIRE ICARE

UNIVERSITÉ D’ORLÉANS ÉCOLE DOCTORALE SCIENCES ET TECHNOLOGIES LABORATOIRE ICARE THÈSE présentée par : Caroline MARCHAL soutenue le : 04 décembre 2008 pour obtenir le grade de : Docteur de l’université d’Orléans Discipline/ Spécialité : ENERGETIQUE MODELISATION DE LA FORMATION ET DE L’OXYDATION DES SUIES DANS UN MOTEUR AUTOMOBILE THÈSE dirigée par : Christian VOVELLE DR CNRS, ICARE Orléans Christine MOUNAÏM-ROUSSELLE Professeur, PRISME Orléans RAPPORTEURS : Henning BOCKHORN Professeur, Université de Karlsruhe (Allemagne) Pascale DESGROUX DR CNRS, PC2A Lille _____________________________________________________________________________________ JURY : Nasser DARABIHA Professeur, EM2C Châtenay-Malabry Fabian MAUSS Professeur, Université de Cottbus (Allemagne) Gladys MOREAC Ingénieur de recherche, Renault Christine MOUNAÏM-ROUSSELLE Professeur, PRISME Orléans Christian VOVELLE DR CNRS, ICARE Orléans tel-00392316, version 1 - 7 Jun 2009 UNIVERSITÉ D’ORLÉANS ÉCOLE DOCTORALE SCIENCES ET TECHNOLOGIES LABORATOIRE ICARE THÈSE présentée par : Caroline MARCHAL soutenue le : 04 décembre 2008 pour obtenir le grade de : Docteur de l’université d’Orléans Discipline/ Spécialité : ENERGETIQUE MODELISATION DE LA FORMATION ET DE L’OXYDATION DES SUIES DANS UN MOTEUR AUTOMOBILE THÈSE dirigée par : Christian VOVELLE DR CNRS, ICARE Orléans Christine MOUNAÏM-ROUSSELLE Professeur, PRISME Orléans RAPPORTEURS : Henning BOCKHORN Professeur, Université de Karlsruhe (Allemagne) Pascale DESGROUX DR CNRS, PC2A Lille _____________________________________________________________________________________ JURY : Nasser DARABIHA Professeur, EM2C Châtenay-Malabry Fabian MAUSS Professeur, Université de Cottbus (Allemagne) Gladys MOREAC Ingénieur de recherche, Renault Christine MOUNAÏM-ROUSSELLE Professeur, PRISME Orléans Christian VOVELLE DR CNRS, ICARE Orléans tel-00392316, version 1 - 7 Jun 2009 Avant-propos « De tout ce qu’il est possible de concevoir dans le monde, et même en général hors du monde, il n’est rien qui puisse sans restriction être tenu pour bon, si ce n’est la bonne volonté. » Emmanuel Kant, Fondement de la métaphysique des mœurs, 1785, trad. Lachelier (Hachette, 1904) tel-00392316, version 1 - 7 Jun 2009 Avant-propos AVANT-PROPOS Cette thèse CIFRE a été financée par Renault et les recherches ont été effectuées au sein de trois équipes : - l’équipe ‘systèmes réactifs’ de l’Institut de Combustion, Aérothermique, Réactivité & Environnement (ICARE) du CNRS d’Orléans, - l’équipe de la chaire de thermodynamique de la Brandenburgische Technische Universität (BTU) de Cottbus, - l’équipe de l’unité de Combustion de la Direction des Technologies Avancées de l’Automobile (DTAA) de la société Renault. Je remercie M. Claude Contet, Directeur de la DTAA et M. Jérôme Perrin, Directeur des projets avancés CO2 environnement pour l’intérêt qu’ils ont porté à mon travail. Je remercie M. Alain le Douaron et M. Bertrand Hauet, précédent et actuel chefs du service Système Energétique ainsi que M. Gilles Coma, chef du département Combustion et Systèmes de dépollution pour m’avoir accueillie au sein de leurs équipes. Je remercie vivement M. Frédéric Ravet, chef de l’unité Combustion au sein de la DTAA de Renault, de m’avoir choisie pour ce travail et de m’avoir suivie tout au long de la thèse. Je tiens à exprimer ma profonde reconnaissance à Mme Gladys Moréac, ingénieur de recherche en chimie de la combustion pour tout son suivi, ses conseils, sa disponibilité et ses encouragements quand le moral était au plus bas. J’adresse mes remerciements à Mme Mai Funk, directrice du projet FLAME dans lequel s’est inséré mon travail pour le suivi réalisé et la promotion de mon travail de thèse au travers de présentations projet exemplaires. Je remercie toute l’équipe de l’unité Combustion du service Système Energétique pour son accueil, sa disponibilité et ses conseils. J’adresse aussi mes remerciements aux équipes Essais et Systèmes de dépollution du service Système Energétique qui ont répondu à beaucoup de mes questions. J’adresse un remerciement tout particulier à M. Laurent Feuga, ingénieur de la Direction de la valorisation et de la communication techniques, sans qui je n’aurais pas participé au concours Young European Arena of Research 2008 qui m’a valu de remporter une médaille. Je remercie vivement M. Iskender Gökalp, directeur d’ICARE, de m’avoir accueillie dans son laboratoire dans les meilleures conditions. J’adresse tous mes remerciements à mon directeur de thèse M. Christian Vovelle, directeur de recherche au CNRS, pour m’avoir encadrée et guidée tout au long de cette thèse avec attention et humour et sans qui cette thèse n’aurait pas été possible. Je remercie Mme Christine Mounaïm-Rousselle, professeur tel-00392316, version 1 - 7 Jun 2009 Avant-propos de l’institut Pluridisciplinaire de Recherche en Ingénierie des Systèmes et Mécanique Energétique (PRISME), d’avoir été une co-directrice de thèse très disponible et présente avec les mots qu’il faut dans les moments difficiles. Je lui adresse aussi mes remerciements pour m’avoir initiée avec M. Fabien Halter, enseignant-chercheur, aux techniques de mesures optiques par LII dans les laboratoires de Polytech’Orléans. Merci à mes anciens collègues de bureau d’ICARE ainsi qu’à la sympathique équipe des doctorants de l’université d’Orléans pour les très bons moments passés ensemble. Je remercie tout particulièrement M. Fabian Mauss, Professeur de la BTU de Cottbus, sans qui cette thèse n’aurait pas pu voir le jour. Je lui suis gré de tout le savoir qu’il a pu me transmettre et pour toutes les longues heures de discussion en Allemagne ou à distance par téléphone qu’il a pu me consacrer malgré son agenda surchargé. J’adresse aussi mes remerciements à M. Karl Netzell, ingénieur chercheur, dont la thèse a été pour moi un point départ essentiel, je lui suis gré de tout le temps qu’il m’a accordée en Suède alors qu’il terminait de rédiger sa thèse. Je remercie aussi M. Harry Lehtniemi, ingénieur de recherche, qui a toujours répondu présent pour répondre à mes questions. J’en profite pour saluer tous mes collègues allemands pour leur générosité et pour m’avoir aidée avec patience et gentillesse dans mon apprentissage de la langue de Goethe. J’adresse toute ma reconnaissance à Mme Pascale Desgroux, Directrice de Recherche au PC2A de Lille et à M. Henning Bockhorn, Professeur à l’université de Karlsruhe (Allemagne) pour avoir accepté d’être rapporteurs de ce mémoire de thèse. M. Nasser Darabiha, Professeur à l’EM2C de Châtenay-Malabry, a accepté de présider le jury de thèse, je l’en remercie vivement. J’adresse de chaleureux remerciements à ma famille et mes proches qui m’ont entourée et soutenue tout au long de ces trois ans. tel-00392316, version 1 - 7 Jun 2009 Sommaire SOMMAIRE I. INTRODUCTION 1 II. BIBLIOGRAPHIE 5 II.1. Contexte général 5 II.1.1. Les émissions de particules issues des transports 5 II.1.2. Risques liés aux particules 6 II.1.3. Les normes européennes 7 II.2. Les technologies 8 II.3. Composition et structure des particules de suie 11 II.3.1. Composition 11 II.3.2. Structure 12 II.4. La formation et l’oxydation des particules de suies 14 II.5. Formation des précurseurs de suie : la phase gaz 15 II.5.1. Les modèles cinétiques 15 II.6. Formation des suies : la phase solide 19 II.6.1. Les phénomènes physiques de collision 20 II.6.2. Les phénomènes chimiques 26 II.7. Modélisation 30 II.7.1. La méthode des moments 32 II.7.2. La méthode Monte-Carlo 33 II.7.3. La méthode de sectionnement 33 II.8. La methode de sectionnement 34 II.8.1. Nucléation 37 II.8.2. Condensation 38 II.8.3. Coagulation 39 II.8.4. Croissance de surface 40 II.8.5. Oxydation 41 II.8.6. Les équations de transport 41 II.8.7. Calcul des données caractéristiques des suies 42 II.9. Le modèle de combustion 44 II.10. Les flammes de prémélange 46 II.11. Les flammes de diffusion 47 III. RESULTATS 52 III.1. Validation d’un mécanisme modifié pour l’oxydation du n-heptane 52 III.2. Validation d’un nouveau mécanisme pour carburants automobiles 57 III.2.1. Description du mécanisme 57 III.2.2. Validation du mécanisme en flamme de prémélange 59 III.2.3. Validation du mécanisme en réacteur auto agité par jets gazeux 64 tel-00392316, version 1 - 7 Jun 2009 Sommaire III.2.4. Validation du mécanisme avec modèle de suie en flammes de prémélange 67 III.3. Développement de la méthode de sectionnement 72 III.3.1. La description des sections 73 III.3.2. Description mathématique des processus de collision 73 III.3.3. Simplification de la distribution 75 III.3.4. Validation des modifications en flamme de prémélange 75 III.4. Les méthodes de tabulation de la chimie des suies 82 III.4.1. Tabulation par Réacteur à Ecoulement Piston 84 III.4.2. Bibliothèques de flammelettes 89 III.5. Problématique du couplage modèle de suies – modèle de combustion 90 III.6. Hypothèses de couplage 92 III.6.1. Chimie conditionnée par la structure de flamme 92 III.6.2. Changement d’échelles 92 III.7. Les équations de transport 93 III.8. Couplage au modèle de combustion ECFM-CLEH par mode de tabulation 94 III.8.1. Couplage Tabulation PFR – modèle de combustion en zone de prémélange 95 III.8.2. Couplage Tabulation PFR – modèle de combustion en zone de diffusion 96 III.8.3. Couplage Tabulation flammelettes en mode distribué – modèle de combustion en zone de diffusion 97 III.8.4. Couplage Tabulation flammelettes en mode étiré – modèle de combustion en zone de diffusion 99 III.9. Calcul des termes sources 101 III.10. Validation numérique du modèle 107 III.10.1. Validation primaire 107 III.10.2. Validation secondaire 108 IV. VALIDATION EN CAS REELS MOTEURS 114 IV.1. Simulation d’un cas moteur Diesel à pleine charge 114 IV.2. Principe de la LII en moteur optique 125 IV.3. Dispositif expérimental 128 IV.4. Le moteur à accès optiques 130 IV.4.1. Caractéristiques du moteur 130 IV.4.2. Simulation de l’EGR et analyse des gaz 131 IV.5. Résultats 132 IV.5.1. Points de fonctionnement choisis 132 IV.5.2. Comparaison des paramètres uploads/Science et Technologie/ thesis-caroline-marchal-soot.pdf