Modélisation de la formation et de la réduction des NO x dans un moteur à charge stratifiée avec le modèle multi zone

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1 Revue des Eergies Reouvelables CISM 08 Oum El Bouaghi (008) 3 - Modélisatio de la formatio et de la réductio des NO x das u moteur à charge stratifiée avec le modèle multi zoe A. Chelghoum, M. Kadja, T. Ouksel et P. Higeli 3 Istitut de Mécaique, Cetre Uiversitaire Larbi Be M Hidi, Oum El Bouaghi, Algérie Laboratoire des Applicatios Eergétiques et Pollutio, Départemet de Mécaique, Uiversité des Frères Metouri, Costatie, Algérie 3 Laboratoire de Mécaique et d Eergétique de l Ecole Polytechique, Uiversité d Orléas, Frace Résumé - Le modèle multi zoe est utilisé pour l étude du processus de combustio et la formatio de l oxyde d azote das u moteur à allumage commadé. Afi de réduire la quatité d oxyde d azote formée, la solutio proposée est le moteur à charge stratifiée. Il commece par l utilisatio de l approche de Wiebe pour décrire le dégagemet de chaleur durat la phase de combustio. Pour calculer la cocetratio des espèces das les gaz d échappemet, u schéma d équilibre chimique est utilisé pour le système C H O N des espèces cosidérés. Aisi les résultats théoriques des deux types de moteurs, à savoir: moteur à charge homogèe et moteur à charge stratifiée issus de ce modèle sot comparés avec ceux mesurés. Abstract - Modellig of the combustio process ad the itric oxide formatio i spark igitio egies (SIE) is based o the multi-zoe approach. I order to reduce the quatity of itric oxide, the proposed approach cosiders the stratified charge egie. Firstly, the Wiebe method is used for the descriptio of the heat loss durig the combustio phase. The, chemistry equilibrium is used for the C H - O- N system leadig to the computatio of the spices cocetratio i the exhaust gas. Theoretical results of two types of egies, based o stratified charge ad o homogeeous charge, are compared to the experimetal results. Mots clés: Moteur - Allumage commadé à charge stratifiée - Oxyde d azote - Modèle multi zoes.. INTRODUCTION La préoccupatio des chercheurs das le domaie des moteurs depuis quelques aées est d arriver à réduire la toxicité des gaz d échappemet des moteurs à u iveau suffisammet bas. La plupart des solutios proposées mèet à admettre u redemet thermique moye relativemet réduit. Il est doc logique de peser si o pouvait trouver ue solutio qui serait plus acceptable que celles qui sot actuellemet coues, aussi bie du poit de vue de la dépese d éergie que de l élimiatio des composés toxiques das les gaz d échappemet das les moteurs à combustio itere. La solutio proposée est le moteur à charge stratifiée dot la phase de combustio se produit e deux étapes différetes. L ue de petit volume (préchambre) comporte u mélage très riche de coefficiet d excès d air local α <<, tadis que l autre occupat le reste de la chambre de combustio (chambre pricipale), comporte u mélage très pauvre formé d air et des gaz brûlés de la première combustio de coefficiet d excès d air local α >>, []. 3

2 4 A. Chelghoum et al.. STRATIFICATION Ce moteur (Fig. ) est caractérisé par le taux de stratificatio de la charge ( a ), qui est défii par le rapport du volume V mr du mélage riche, de coefficiet d excès d air local α << au volume total V mm du mélage moteur de coefficiet d excès d air α >>, []. V a mr Vmm () Ce coefficiet atteit sa valeur maximale quad: V mr ( V mr ) max Où ( Vmr ) max R T R T Nmr et ( Vmm ) Nmm P P Les ombres de moles du mélage riche et du mélage moteur sot appréciés par: Nmr α L0 + ( + γr ) M c [ kmole / kgcomb ] Nmm α L0 + ( + γr ) M c [ kmole / kgcomb ] α: Coefficiet d excès d air total et L 0 : Quatité d air théoriquemet écessaire Il viet que: amax α L0 + Mc α L0 + Mc Le pricipe de coservatio de la masse ous permet d évaluer α e foctio de α : α amax. α a. α amax a () La pressio istataée au cours du processus de combustio est détermiée à partir de l équatio: d P f ' ( τ) ( γ ) δq δ dég qper + γ P d τ f ( τ) f ( τ) d τ d τ (3) La fractio massique brûlée du carburat est exprimée par la loi de Wiebe [, 3]. x exp [ ( ϕ ϕ ) m+ z ] (4) ϕ z est la durée de la combustio, et caractérise l aspect quatitatif de la dyamique de combustio et m le facteur de forme de combustio, caractérisat l aspect qualitatif. L applicatio du pricipe de coservatio d éergie appliquée à la zoe ω etre le début et la fi de sa combustio sous la forme développée doe: ω N z Q ω ( Upc ) ω ( Umm ) ω + ( Upc ) j + ( Umm ) j Wω (5) j jω+

3 CISM 008: Modélisatio de la formatio et de la réductio des NOx das u moteur 5 Qω ( t i.cν,i 0 i pc ) ω.( tpc ) ω. xω ( Umm ) ω ω Nz + ( Upc ) j + ( Umm ) j Wω j jω+ Fig. : Décompositio de la chambre de combustio e multi zoes E remplaçat les capacités calorifiques molaires moyees des espèces des produits de combustio par leurs expressios, l équatio d éergie deviet: xω.( tpc ) ω. [ i.( ai + bi.( tpc ) ω) ] ( Umm ) ω i N z ω ( Upc ) j ( Umm ) j + Wω + Qω j jω+ ( tpc ) ω. i.ai i + ( t pc ) ω. i.bi i ω N z. ( Umm ) ω ( Upc ) j ( Umm ) j + Wω + Qω xω j jω+ O pose: A i.ai i + H + N.aH.a N CO.aCO + OH.aOH + O + CO.aCO + H O.aH O.aO + O.aO + NO.a NO + H.aH + N.a N + N O.a N O

4 6 B i.bi i + OH.bOH + O + N.bN A. Chelghoum et al. + CO.bCO + H O.bH O + H.bH.bO + O.bO + NO.bNO + H.bH + N.bN + N O.bN O ω N z C. ( Umm ) ω ( Upc ) j ( Umm ) j + Wω + Qω xω j jω+ Alors o obtiet la forme codesée de l équatio d éergie: B. ( t ) pc ω + A.( tpc ) C 0 (6) La température locale des produits de combustio das la zoe ω juste au momet de sa combustio, ( t pc ) ω est la solutio positive. A + A + 4 B.C ( t [ ] pc ) ω C B (7) ( Tpc ) ω ( tpc ) ω + 73 [ K ] 3. MECANISME DE FORMATION DES NO x Le mécaisme de formatio de NO le plus domiat, est celui, de Zeldovich. Le schéma proposé se compose des deux réactios suivates [4, ] qui décrivet la formatio du NO à partir de l azote de l air. kd O + N NO + N () k r kd O + N NO + O () k r Das les mélages autres que pauvres, ue troisième réactio itroduite [3, 5, 9, 0], suite à des mesures d évolutios de cocetratio de NO das ue chambre de combustio de moteur à allumage commadé. kd3 N + OH NO + H (3) k r3 Ue autre voie de formatio de NO a été mise e compte par Lavoie et al. [3] e 970. Il s agit d u processus où l origie de NO est le N O qui peut proveir d ue réactio de combustio de la forme: O + N + M NO + M (M état u corps ierte) Puis le N O est cosommé par l ue des réactios suivates: kd4 N O + O NO + NO (4) k r4 k 5 N + O d NO O k + (5) r5 k 6 N + OH d NO H k + (6) r6

5 CISM 008: Modélisatio de la formatio et de la réductio des NOx das u moteur 7 k 7 N + O d NO (7) k r7 Des mesures par spectroscopie d absorptio ot motré que, das le cas où NO est produit que par le mécaisme thermique, sa formatio peut être très bie prédite à partir des réactios () et () [6]. Cepedat, Heywood et al. [7] motret que la réactio (3) reste aussi importate pour mieux prédire les cocetratios de NO. Eyzat et Guibert [8] affirmet que la réactio ci-dessous cotribue aussi à la formatio de NO. kd8 N + O NO (8) k r8 4. MODE DE CALCUL O suppose que das le système cosidéré le processus de combustio est termié, l équilibre chimique est établi. Doc, la loi de coservatio de masse, la loi d actio de masse et la loi de Dalto détermiet complètemet le système. Après l achèvemet du processus de combustio, l équilibre chimique etre les composats doe: CO CO + 0.5O H O H + 0.5O H O OH + 0.5H H H + H (8) O O + N N + O N O + N NO + NO N O NO Les costates d équilibre de ces réactios sot doées par: K P P K. t 3 t K P. 3 5 P K4. t 4 t (9) K P. 7 K 8 6 t 4.0 K7 0.5 P. 0 t K i - Costate d équilibre de la réactio i. CO ; CO ; 3 HO ; 4 H ; 5 H ; 6 OH ; 7 O ; 8 O ; 9 NO ; 0 N ; N ; NO

6 8 A. Chelghoum et al. t i i K ( T ) T exp ( 893 R T ) K ( T ) T 0.4 exp ( 4740 R T ) K3 ( T ) T 0.8 exp ( R T ) K4 ( T ) 3.79 T exp ( 856 R T ) K5 ( T ) T 0.6 exp ( R T ) K6 ( T ) T 0.03 exp ( 935 R T ) (0) K7 ( T ) T 0.90 exp ( 4754 R T ) K8 ( T ) T 0.65 exp ( R T ) La quatité des NO x formée est doée par la résolutio umérique de l équatio d [ NO ] d t Re R β. e + ( R R ) N R T ( e + 3e β ). s R () 4e P + + R R 8e 4e + R5e + R6e + R7e où: P et T sot respectivemet la pressio et la température absolues, N s le ombre total de moles des produits de la combustio, [ NO ] le ombre de moles d oxyde d azote, β le rapport etre la cocetratio réelle et équilibrée de l oxyde d azote et R ie la vitesse de la réactio i à l équilibre. Fig. : Pressio calculée pour les deux types de moteur et celle mesurée avec u taux de stratificatio de 5 % et 500 tr/m, u coefficiet d excès d air de.7

7 CISM 008: Modélisatio de la formatio et de la réductio des NOx das u moteur 9 Fig. 3: Pressio calculée pour les deux types de moteur et celle mesurée avec u taux de stratificatio de 5 % et 500 tr/m, u coefficiet d excès d air de.7 Fig. 4: Pressio calculée pour les deux types de moteur et celle mesurée avec u taux de stratificatio de 5 % et 500 tr/m, u coefficiet d excès d air de.7 Fig. 5: Cocetratio des oxydes d azote pour les deux types de moteur

8 0 A. Chelghoum et al. Fig. 6: Cocetratio des oxydes d azote pour les deux types de moteur Tableau : Résultats d essais réalisés à Polytech d Orléas N (tr/m) Avace ( ) 8 5 P max (MPa) NO x (ppm) Excès d air INTERPRETATION DES RESULTATS E faisat varier le taux de stratificatio de la charge depuis 5 % à 30 %, avec u pas de 5 %, o remarque que seule la pressio correspodat au taux de 5 % qui est très proche de celle d u moteur à charge homogèe et à celle du moteur d essais. A remarquer d après les trois premières figures des pressios correspodat aux avaces à l allumage (8, et 5 ), que pour chaque cas, toutes les pressios sot approximativemet égales. Ce qui cofirme l importace et la fiabilité du modèle appliqué. E ce qui cocere les courbes des cocetratios d oxyde d azote, il est bie clair qu il y a ue réductio assez importate des NO x formés pour les trois cas du moteur à charge stratifiée relativemet au moteur à charge homogèe (Tableau ). Tableau : Cocetratios e NO x pour les trois cas du moteur Avace ( ) 8 5 Type de moteur NO x (ppm) Charge homogèe NO x (ppm) Charge stratifiée NO x (ppm) Essai

9 CISM 008: Modélisatio de la formatio et de la réductio des NOx das u moteur 4. CONCLUSION Après avoir effectuer le calcul ciétique des gaz, malgré sa forte ifluece sur la formatio des oxydes d azote, le mécaisme de Zeldovich est isuffisat, la raiso qui exige de le compléter par d autres réactios à l exceptio de la huitième qui a aucue ifluece das le calcul. La cocetratio des NO x est assez forte das les zoes qui brûlet e premier lieu à cause de leurs températures élevées. Nous pouvos affirmer que si l o pouvait réaliser, das deux parties distictes d u même moteur, deux phase de combustio successives dot la première alimetée e mélage très riche de coefficiet d excès d air local α, et la secode e mélage suffisammet pauvre formé d air et des gaz brûlés proveat de la première combustio de coefficiet d excès d air local α ; o devrait obteir à la fois ue écoomie de combustible (surtout s il s agit d u carburat de haute qualité) et ue réductio cosidérable des oxydes d azote au sei des gaz rejetés das l atmosphère. Caractéristiques géométriques du moteur d essai Taux de compressio 0, Alésage 88 mm Course 8 mm Cylidrée uitaire 0,49848 litres Logueur de bielle 38 mm Diamètre siège soupape d'admissio 9.5 mm Diamètre siège soupape d échappemet 6.6 Agle soupape d admissio 6.5 Agle soupape échappemet 5.67 REFERENCES [] R. Mehdiev, Etude de la Combustio das u Moteur à Charge Stratifiée, 98. [] J.J. Wiebe, Brevarlauf ud Kreisprozess vo Verbreugsmotore, Veb Verlag Techik Berli, 970. [3] R.R. Raie, C.R. Stoe ad J. Could, Modellig of Nitrite Oxide Formatio i Spark Igitio Egies with a Multizoe Bured Gas, Combustio ad Flame, Vol. 0, N 3, pp. 4 55, 995. [4] A.G. Gaydo ad H.G. Wolfhard, Flames, Their Structure, Radiatio ad Temperature, Chapma ad Hall, Lodres, 960. [5] B. Lewis ad Vo Elbe, Combustio, Flames ad Explosio of Gases, Documet, Bibliothèque Royale, Belgique, 96. [6] F.S. Daito, Chai Reactios, Revue S.A.E, N 530, 956. [7] N.N. Semeov, Some Problems of Chemical Kietics ad Reactivity, Editios de Moscou ad Pricito Uiversity Press, 958. [8] N.N. Semeov, Some Problems of Chemical Kietics Theory of Gases, Documet IFP, N 4536, 958.

10 A. Chelghoum et al. [9] A.R. Sadiq Al Baghdadi Maher ad A.K. Shahad Al Jaabi Harou, A Predictio Study of a Spark Igitio Supercharged Hydroge Egie, Eergy Coversio ad Maagemet, Vol. 44, N 0, pp , 003. [] F.N. Alasfour, NO x Emissio from a Spark igitio Egie usig 30 % Iso-butaol-gasolie Bled: Part - Preheatig Ilet Air, Applied Thermal Egieerig, Vol. 8, N 5, pp , 998. [] G. Damköhler, The Effect of Turbulece o the Flame Velocity i Gas Mixtures, Zeitug für Elektrochemie, Vol. 46, N, pp , 940.