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

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

¹ Institut français du pétrole, IFP, 1-4 avenue de Bois-Préau, 92852 Rueil-Malmaison Cedex - France
² CERFACS, 42 avenue G. Coriolis, 31057 Toulouse Cedex 1 - France

Corresponding authors: alessio.dulbecco@ifp.fr francois-a.lafossas@toyota-europe.com gilles.mauviot@ifp.fr thierry.poinsot@cerfacs.fr

Abstract

This paper presents a new 0D phenomenological approach to the numerical modelling of Diesel HCCI combustion. The model is obtained through the reduction of TKI-PDF (Tabulated Kinetics for Ignition, coupled with presumed Probability Density Function) 3D CFD model developed at the IFP. Its formulation is based on physical considerations, to take into account the main phenomena and their mutual interactions that take place in the cylinder during the combustion process. Aspects relating to spray penetration, fuel evaporation, turbulence, mixture formation and chemical kinetics have been studied in detail. The original contribution of this work concerns the modelling of the formation and evolution of the equivalence ratio stratification around the spray, and of its connection to combustion kinetics. In order to achieve this, different tools commonly adopted in 3D modelling have been adapted to 0D modelling. Presumed PDF theory has been extended to a 0D formalism in order to characterize the mixture-fraction distribution. This approach has then been coupled with droplet-evaporation theory in order to have access to the thermodynamic conditions characterizing the mixture. The temporal evolution of the spray is computed in terms of volume and the entrained mass of gases, starting from conservation laws for mass, momentum and energy. An adapted model is used to take into account the turbulence in the cylinder, which is very important, in an ICE (Internal Combustion Engine), especially during the mixing process. Further, combustion heatrelease is computed using an adapted detailed tabulated chemistry method inspired by the FPI (Flame Prolongation of ILDM (Intrinsic Low Dimensional Manifold)) theory. This look-up table allows the simulation of a large range of combustion regimes, since it takes into account the presence of EGR (Exhaust Gas Recirculation) in the mixture. The results of the 0D model are compared in an initial step to the 3D CFD results. Finally, the OD model is validated against a wide experimental database.

Résumé

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 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 laméthode FPI (Prolongation aux Flammes de la méthode ILDM Intrinsic Low DimensionalManifold)). 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.