System Simulation of Combustion in Direct-Injection Spark-Ignition Engines

par Federico Pellegrino

Thèse de doctorat en Combustion

Sous la direction de Denis Veynante et de Alessio Dulbecco.

Le président du jury était Nasser Darabiha.

Le jury était composé de Denis Veynante, Alessio Dulbecco, Nasser Darabiha, Luis Le Moyne, Alain Maiboom, Raul Payri.

Les rapporteurs étaient Luis Le Moyne, Alain Maiboom.

  • Titre traduit

    Simulation système de la combustion dans les moteurs à allumage commandé à injection directe


  • Résumé

    La présence de contraintes de plus en plus strictes sur les émissions de polluants on poussé les contruteurs vers l'injection directe essence (IDE), afin d'améliorer les performances et réduire la consommation de carburant et les émissions des moteurs à combustion interne. Par conséquent, de nouveaux défis sont introduits en termes d'optimisation de la combustion, en raison d'une plus complexe phénomenologie tandis que les modéles système demande des paramètres de calibration supplémentaires.Cette thèse présente le développement et la validation d'un modèle zéro-dimensionnel (0D) de combustion en IDE pour application en simulation système. Le modèle proposé détaille la physique de l'atomisation, et évaporation des gouttes, de la préparation du mélange air/carburant, de la propagation de flamme dans un mélange non-homogène ainsi que l'intéraction entre ces phénomènes.La phase liquide est discretisés en paquets groupant des gouttes de la même taille.Un modèle d'atomisation empirique basé sur la vitesse d'injection, les propriétés du carburant et les conditions thermodynamiques fournit les diamètres initiaux. Un modèle Lagrangien détaillant une dynamique de trainée/inértie, échange thermique et convection forcée décrit la pénétration liquide et l'evaporation des paquets. La formation du mélange air/carburant est décrite avec une PDF qui discretise la charge en un mécanisme de classes intéragissant les unes avec les autres et avec les paquets de gouttes. La propagation de flamme prend en compte les effets de l'hétérogéneité du mélange sur la vitesse de flamme et la formation des polluants.Le modèle proposé a été implémenté dans la plateforme Simcenter Amesim, dédiée á la modélisation de systémes multi-physiques, et intégrée dans le modèle de combustion essence CFM1D, de la librairie IFP-Engine.Des approche de modélisation de l'evaporation de carburant, de la dynamique de spray et de la formation du mélange, inspirés de la literature sur les moteurs Diesel, ont été adaptés aux conditions IDE.Le modèle a initialement été validé sur des mesures et des simulations RANS 3D réalisées avec le code IFP-C3D, d'une bombe d'injection à volume constant.Un vortex de tumble, dans un premier temps, et des variations rapides du voulume de la chambre ensuite, ont été ajoutés aux expériments numériques afin d'évaluer la réponse du modèle à l'aérodynamique dans la chambre de combustion et à des conditions thermodynamiques variables, en termes d'évaporation, développement du spray et distribution de la richesse. Des simulations d'injections dans un moteur entraîné,dont les résultats ont été comparés avec des mesures et des calculs CDF,complètent la validation du modèle avec à la fois des conditions thermodynamiques variable et de l'aérodynamique.


  • Résumé

    Future constraints on pollutant emissions pushed car manufacturers towards gasoline direct injection (GDI) technologies to improve engine performances and reduce fuel consumption and emissions. New challenges are then introduced in terms of combustion optimization due to a more complex phenomenology while system models require additional calibration parameters.This PhD work presents the development and validation of a Zero-Dimensional (0D) model of GDI combustion for system simulation. The proposed model focuses on physics of atomization and drop evaporation, fuel/air mixing, flame propagation in heterogeneous charge and mutual interaction between these phenomena.The liquid phase is discretized in parcels grouping drops of the same size. An empirical atomization model based on injection velocity, fuel characteristics and thermodynamic conditions provides initial diameters. A Lagrangian model including drag-inertia dynamics, heat-up and forced convection describes drop parcel penetration and evaporation. Fuel / air mixing is described using a discrete Probability Density Function (PDF) approach, based on constant-mixture-fraction classes interacting with each other and with the drop parcels. Flame propagation takes into account mixture heterogeneity effects on flame speed and pollutant production is modelled.The model was implemented in the Simcenter Amesim platform for multi-physical modelling and integrated in a generic Spark Ignition (SI) combustion chamber submodel, CFM1D, from the IFP-Engine library.Fuel evaporation, spray dynamics and mixture formation modelling approaches, inspired by literature on Diesel engines, were adapted to GDI operating conditions. The model was first validated on a constant-volume vessel with quiescent gas in different thermodynamic conditions by means of experiments and 3D RANS CFD simulations performed with IFP-C3D. A tumble vortex in a constant volume vessel, in a first time, and rapid variations of the vessel volume, in a second time, were then added to the numerical experiment in order to test the model response to in-cylinder flow aerodynamics and variable thermodynamic conditions, respectively, in terms of fuel evaporation, spray development and fuel/air mixing and equivalence ratio distribution. Computations of fuel injections in a motored engine complete the model validation campaign in variable thermodynamic conditions and with realistic aerodynamics and the results were compared to both experiments and CFD computations.


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