A New 0D Diesel HCCI Combustion Model Derived from a 3D CFD Approach with Detailed Tabulated Chemistry

Abstract

Résumé -Un nouveau modèle 0D pour la simulation de la combustion Diesel HCCI obtenu par réduction d'un code CFD 3D utilisant une méthode de chimie complexe tabulée -Cet article présente une nouvelle approche phénoménologique 0D à la modélisation numérique de la combustion Diesel HCCI. Le modèle a été obtenu par réduction du modèle CFD 3D TKI-PDF (Cinétique Chimique Tabulée pour la détection de l'auto-allumage couplée avec une Fonction à Densité de Probabilité présumée) développé à l'IFP ; sa formulation est basée sur des considérations de type physique afin de prendre en compte les différents phénomènes qui interviennent dans le cylindre pendant le processus de combustion et leurs interactions. Les aspects relatifs à l'évaporation du carburant, à la pénétration du spray, à la turbulence, à la formation du mélange et à la cinétique chimique ont été étudiés en détail. L'apport original de ce travail concerne la description du mécanisme de formation et d'évolution du mélange air/carburant (au sein de la zone de mélange) et de son couplage avec la cinétique de combustion. Afin de s'affranchir des limitations liées au formalisme 0D (manque de notion d'espace), différents outils couramment adoptés en modélisation 3D ont été utilisés. La théorie relative aux PDF présumées a été adaptée au formalisme 0D pour la description de la distribution de la fraction de mélange dans la zone de mélange. Cette distribution est couplée avec la théorie relative à l'évaporation d'une goutte qui définit les états thermodynamiques caractérisant la composition locale du mélange. L'évolution temporelle du spray, en terme de volume et de masse de gaz entraîné, est déduite à partir des lois de conservation de la masse, de quantité de mouvement et d'énergie. Un modèle κ − adapté a été utilisé pour prendre en compte les effets de la turbulence dans le cylindre qui, dans les Moteurs à Combustion Interne (ICE), joue un rôle très important principalement en ce qui concerne le processus de mélange. La cinétique chimique, qui induit le taux de dégagement d'énergie, est déterminée en utilisant une méthode de tabulation de la chimie complexe inspirée de la méthode FPI (Prolongation aux Flammes de la méthode ILDM Intrinsic Low Dimensional Manifold)). Cette méthode permet de simuler une grande plage de régimes de combustion prenant en compte la présence de Gaz Brûlés Recirculés (EGR) dans le mélange de gaz. Les résultats du modèle 0D sont comparés avec les résultats du modèle 3D équivalent. Finalement, le modèle 0D est validé sur une large base de données expérimentales. Abstract -A New 0D Diesel HCCI Combustion Model Derived from a 3D CFD Approach with Detailed Tabulated Chemistry -This paper presents a new 0D phenomenological approach to the numerical modelling of Diesel HCCI combustion. The model is obtained through the reduction of 260Oil & Gas Science and Technology -Rev. IFP, Vol. 64 (2009) [−] orifice area-contraction coefficient NOMENCLATURE Latin abbreviations

Development of a Spray-Based Phenomenological Soot Model for Diesel Engine Applications

“…injection systems performing complex injection strategies, low pressure and high pressure EGR loops,…) and then to describe the pollutant emissions formation processes, like CO and NOx, whose chemical kinetics depends strongly on the incylinder thermochemical conditions. According to [15], to get access to the thermochemical mixture properties holding the soot kinetics, a spray-model for modern Diesel engines based on the approach proposed in [13,20,22] was integrated into the DFM model to enrich the combustion scenario description given by the model. This spray model showed its potential for simulations of Diesel sprays, for single injection but also multiple injection strategies, for which injection-to-injection interactions cannot be neglected.…”

“…In the present work, a detailed phenomenological spray model for modern Diesel engines, as proposed in [13,20], was integrated into the DFM combustion model developed at IFPEN [21]. The implemented approach was thought to integrate as much as possible the specificities of the physics holding soot kinetics: this includes fuel properties and detailed thermochemical properties of the reactive mixture, but also the phenomenology related to sprays evolutions and combustion, and injection-to-injection interactions.…”

A Physics and Tabulated Chemistry Based Compression Ignition Combustion Model: from Chemistry Limited to Mixing Limited Combustion Modes

“…Based on the approach used in a previous study [23] and developed by Mauviot [18,37] and Dulbecco [26,27,44], we relate statistical variables to physical phenomena. Deriving the probabilistic definition of the mixture fraction variance, Equation (28) is obtained.…”

“…This approach makes use of the model developed in [18,26,27] for HCCI combustion, but in the present work only three species are considered: burned gas, unburned gas and fuel. The description of the combustion process is here also simplified by modeling the two combustion phases by their own sub-model.…”

“…Equation (16) is obtained according to several assumptions [17,26,27]: temperature, pressure and EGR mass fraction are considered homogeneous in the spray volume, and the progress variable c i is assumed homogeneous during combustion, i.e. c i (Z i ) = c i , ∀Z i .…”