1. Les résultats du calcul à la main :

La réaction de combustion du méthane à richesse F=1.2 s'écrit :

F CH4 + 2 ( O2 + 3.76 N2 ) ->F CO2 + 2 H2O + 7.52 N2 + ( F - 1 ) CH4

La température de fin de combustion s'obtient comme précédemment par la chaleur de réaction. On prend pour valeur de Cp celle de N2 à 1500 K ( approximativement la température moyenne entre les gaz frais et les gaz brûlés ). On obtient les valeurs suivantes : - à 300 K : Tfinale = 2097 K - à 400 K :   Tfinale = 2194 K - à 500 K : Tfinale = 2288 K - à 600 K : Tfinale = 2383 K

Ces valeurs n'ont d'autre intérêt que de nous donner un ordre de grandeur de la température que l'on cherche pour lancer le calcul en chimie simple sur CHEMKIN.

 

 

  1. Le calcul en chimie simple sur CHEMKIN :

La chimie simple est prise en compte par le modèle Ch4global sur le logiciel. Il suffit d'entrer les fractions molaires du mélange air - méthane et la valeur de la température calculée précédemment en valeur de départ, et CHEMKIN se charge de calculer les fractions molaires des différents produits ainsi que d'autres paramètres dont le seul qui nous intéresse est la température de fin de réaction. On obtient les résultats suivants : - à 300 K : Tfinale = 2262 K - à 400 K : Tfinale = 2332 K - à 500 K : Tfinale = 2404 K - à 600 K : Tfinale = 2479 K

Ces valeurs sont a priori plus précises que les valeurs calculées à la main en ce qu'elles tiennent compte de la variation du Cp avec la température. Ce premier résultat est donc appréciable. Mais l'intérêt essentiel de CHEMKIN réside dans le calcul en chimie fine.

 

 

  1. Le calcul en chimie fine :

· Les modèles de chimie complexe : Deux modèles ont été utilisés par notre groupe : le modèle de Coffee et le modèle de Smooke. Ces deux modèles sont basés sur une description à l'échelle moléculaire des interactions entre le méthane et les autres éléments présents dans le réacteur. Ils diffèrent par les équations prises en compte, mais il faut compter qu'en général quelques dizaines de composés et radicaux sont générés et qu'ils réagissent entre eux selon quelques milliers d'équations. D'autres modèles existent, élaborés par Kee ou Van Tiggelen. Il sera intéressant de comparer les résultats que nous donnent ces deux modèles différents.

· Temps de calcul : Le temps de calcul peut être très fortement réduit si l'on introduit une valeur de début de recherche aussi proche que possible du résultat désiré pour la température de fin de réaction. S'éloigner un peu trop de cette température fait rapidement diverger le code. Ceci justifie les précautions prises, et dans de bonnes conditions on peut obtenir un résultat assez rapidement même avec un temps de résidence prolongé dans le réacteur.

· Résultats : On obtient, en chimie complexe, et pour chaque modèle, les résultats suivants :

- à 300 K : Tfinale Smooke = 2139 K        Tfinale Coffee = 2139 K

- à 400 K : Tfinale Smooke = 2205 K        Tfinale Coffee = 2205 K

- à 500 K : Tfinale Smooke = 2271 K        Tfinale Coffee = 2270 K

- à 600 K : Tfinale Smooke = 2335 K        Tfinale Coffee = 2334 K

Il est manifeste sur ces résultats que les deux modèles, dans les conditions où on les a pris, sont tout à fait équivalents et donnent les mêmes résultats pour la température de fin de combustion. En réalité ils diffèrent lorsque la température des gaz frais augmente. Ils se valident entre eux et on peut à présent comparer ces résultats au calcul en chimie simple.

Tableau récapitulatif:

 

Calcul à la main

CHEMKIN chimie simple

Modèle COFFEE

Modèle SMOOKE

300K

2097K

2262K

2139K

2139K

400K

2194K

2332K

2205K

2205K

500K

2288K

2404K

2271K

2270K

600K

2383K

2479K

2335K

2334K

 

 Conclusions:


 

Conclusions sur la baisse de température en chimie complexe :

On remarque donc que les valeurs obtenues en chimie fine sont inférieures d'environ 100° aux valeurs en chimie simple. La raison en est que la chimie fine prend en compte toutes les réactions, en particulier les réactions de recombinaison ou de dissociation qui aboutissent aux divers produits calculés par CHEMKIN. Ces réactions sont endothermiques, elles interviennent donc principalement en fin de combustion lorsque la température est la plus forte. Elles consomment une partie de l'énergie de la réaction et font baisser la température. Les autres réactions, en particulier celles de formation des radicaux, ne semblent pas avoir de conséquences sur la température finale. La question " Quel modèle de combustion utiliser ? " a donc une réponse. On peut utiliser un modèle thermodynamique qui ne tiendrait compte que de l'équation simple de départ auquel on ajoute les réactions de recombinaison et de dissociation finales qui donnent les produits calculés par CHEMKIN.

Conséquences sur la température - Justification du modèle :

La température est véritablement une grandeur thermodynamique. Elle ne dépend pas de la cinétique chimique de la réaction, mais uniquement de l'état initial et de l'état final. Ce qui importe c'est de savoir quelles espèces chimiques sont présentes en fin de combustion et par quelles réactions on aboutit à ces produits. Or il se trouve que les produits de réaction du méthane et de l'octane sont sensiblement les mêmes. On trouve donc ici une nouvelle justification à l'usage du méthane pour simuler la combustion de l'octane.

Il apparaît donc au terme de notre étude qu'il est parfaitement légitime d'utiliser CHEMKIN sur un modèle de chimie complexe du méthane pour simuler la combustion de l'octane dans les cylindres du moteur. Ceci nous permettra d'obtenir une température de fin de réaction plus précise qui prend mieux en compte la Thermodynamique du problème.