3d Modeling of Mixing, Ignition and Combustion Phenomena in Highly Stratified Gasoline Engines

Abstract

Résumé -Modélisation 3D du mélange, de l'allumage et de la combustion dans les moteurs à essence fortement stratifiés -Le présent article décrit les développements récents réalisés à l'IFP sur la modélisation 3D de la combustion dans les moteurs à allumage commandé (SI, spark ignition). Ces développements ont permis d'obtenir le modèle ECFM (extended coherent flame model) qui constitue une extension du modèle de flammes cohérentes CFM (coherent flame model), particulièrement adaptée à la simulation de la combustion dans les moteurs à allumage commandé et à injection directe (DI-SI). L'idée principale de cette extension consiste à décrire localement la richesse, la composition (incluant les gaz résiduels) et la température des gaz frais. Une généralisation de ce modèle à des carburants multicomposants est ensuite proposée. L'effet des fluctuations à petites échelles est intégré dans le modèle ECFM à travers une combinaison d'un modèle de variance/dissipation scalaire et d'une méthode de densité de probabilité présumée. Le modèle d'allumage AKTIM, développé pour modéliser l'initiation de la combustion à la bougie, a été amélioré afin de prendre en compte le plissement du noyau de flamme par la turbulence. Nous montrons sur un cas moteur de principe que cet effet est primordial dans des cas très turbulents. Finalement, un modèle de prédiction du cliquetis dans les moteurs SI est brièvement décrit. Ces développements sont ensuite validés sur deux configurations moteur : un moteur transparent pour lequel des mesures LIF (laser induced fluorescence) sont disponibles et un moteur à injection directe d'essence Mitsubishi qui a permis d'effectuer des validations globales. Abstract -3D Modeling of Mixing, Ignition and Combustion Phenomena in Highly Stratified Gasoline Engines -The present paper describes recent developments realised at IFP on the 3D modeling of combustion in spark ignition engines. They consist in improvements made to the classical coherent flame model (CFM) to yield the extended coherent flame model (ECFM), specifically adapted to simulating the combustion process in direct injection-spark ignition (DI-SI) engines. The principal idea of this extension consists in describing locally the fuel/air (F/A) equivalence ratio in fresh gases

From Physical Modeling to Real-Time Simulation : Feed back on the use of Modelica in the engine control development toolchain

“…For the spark ignition engines, the CFM-1D model is used [3]. This combustion model is based on the CFM combustion model [6] developed at IFPEN in the 3D code IFP-C3D [7]. The coherent flame model (CFM) is a combustion model adapted to the flamelet regime for premixed mixtures.…”

Engine Control of a Downsized Spark Ignited Engine: from Simulation to Vehicle

“…This simulator has notably the particularity to use the phenomenological combustion model CFM-1D based on a two-zone approach (fresh and burnt gases) [6].…”

“…Differentiating the ideal gas law while considering a constant intake temperature (or slow variations), gives: Considering a slow air flow error variation, a continuous state representation is set from this equation: (6) After discretization, the kalman filter representation consists in adding measurement and state noises: 120ˆ: In-cylinder trapped air mass closed-loop observation results on engine test bed.…”

Reactive Cfd in Engines with a New Unstructured Parallel Solver

“…This implementation gives a better precision for computing the flame properties, the equilibrium reactions involving CO (Amsden et al, 1989), and the kinetic reactions involving NO following an extended Zeldovitch's mechanism (Heywood, 1988). Building these three states at every time steps for every cells is done by defining three fictitious species, one for the fuel, one for the oxygen and one for the fresh gas enthalpy (Colin et al, 2003). As in KMB, these fictitious species, along with the flame surface density, are diffused and advected.…”

“…Based on structured multi-blocks formalism, it can model multi-valve engines of the last generation. A strong effort has been done improving physical sub-models, like combustion, pollutants and spray models (Torres and Henriot, 1994;Duclos and Zolver, 1998;Beard et al, 2000;Colin et al, 2003). Even if KMB is adapted to engine calculations (Henriot et al, 1999), there are strong constraints like the time taken by structured grid generation in complex geometries or the exclusive use of very expensive vector computers.…”