On the Reduction of a 3D CFD Combustion Model to Build a Physical 0D Model for Simulating Heat Release, Knock and Pollutants in SI Engines

Réduction d'un modèle de combustion 3D en vue d'obtenir un modèle 0D physique permettant de simuler le dégagement d'énergie, le cliquetis et les émissions de polluants des moteurs à allumage commandé

Institut français du pétrole, IFP, Direction Techniques d'Applications Énergétiques, 1-4 avenue de Bois-Préau, 92852 Rueil-Malmaison Cedex - France

Corresponding authors: stephane.richard@ifp.fr sabre.bougrine@ifp.fr gregory.font@ifp.fr f-alexandre.lafossas@ifp.fr fabrice.le-berr@ifp.fr

Abstract

In the automotive industry, today's major objectives concern the reduction of pollutant emissions and fuel consumption while improving performance and driveability. For this purpose, during the last decade, the classical engine has evolved towards a very complex system combining many hi-tech components with advanced control strategies. Optimizing the whole engine system and controlling its behaviour has then become a real challenge for car manufacturers. In this context, powertrain simulation tools have been shown to be an undisputable support during all stages of the engine development from concept design to control strategies development and calibration. However these tools require sophisticated models to be efficient, especially in the combustion chamber where combustion and pollutant formation processes take place. This paper presents a 0D physical combustion model devoted to the prediction of heat release, knock and pollutants in SI engines. The originality of the model derives from the fact it is based on the reduction of the 3D CFD E-CFM (Extended Coherent Flame Model) model developed at IFP. The CFM formalism distinguishes two zones: the fresh and the burnt gases, which are separated by a flame front and are both described by their temperature, mass and composition. The proposed model is an important evolution of the CFM-1D model previously published. It computes the rate of consumption of the fresh gases and is based on the calculation of the flame front surface using the real engine geometry and a 0D derivation of the flame surface density approach. Pollutants (CO and NOx) are computed both through the flame front an within the burnt gases using a reduced kinetic scheme and a classical extended Zel'dovitch mechanism. The knock timing calculation is performed in the fresh gases zone describing the evolution of an auto-ignition precursor and a simple correlation is used to estimate the corresponding knock intensity. The whole model is validated against experimental data at several steady state operating points for a single-cylinder engine. Parametric variations around optimal engine settings are also performed. A good agreement with experiments is observed, showing the interest of reducing 3D CFD models to build predictive 0D models for engine system simulations.

Résumé

Actuellement, l'une des principales préoccupations de l'industrie automobile concerne la réduction progressive des émissions de polluants et de la consommation de carburant tout en améliorant les performances et l'agrément de conduite des véhicules. Pour satisfaire ces exigences, le moteur automobile a évolué en une dizaine d'années en un système très complexe combinant de nombreux composants de haute technologie avec des stratégies de contrôle très élaborées. L'optimisation et le contrôle de ce système sont alors devenus de véritables challenges pour les constructeurs automobiles. Dans ce contexte, les outils de simulation du groupe motopropulseur se sont démocratisés et peuvent aujourd'hui être utilisés à toutes les étapes de développement des moteurs, du choix de l'architecture au développement des stratégies de contrôle et à la calibration. Cependant, pour être efficaces, ces outils nécessitent des modèles sophistiqués, en particulier dans les cylindres où se produisent les processus de combustion et de formation de polluants. Ce papier présente un modèle 0D physique de combustion dédié à la prédiction du dégagement d'énergie, du cliquetis et des polluants dans les moteurs à allumage commandé. L'originalité du modèle réside dans le fait qu'il est basé sur la réduction du modèle de combustion 3D E-CFM (Extended Coherent Flame Model) développé à l'IFP. Le formalisme CFM distingue deux zones: les gaz frais et les gaz brûlés qui sont séparés par un front de flamme et sont entièrement décrits par leurs masse, température et composition. Le modèle 0D proposé dans ce travail est une évolution importante du modèle CFM-1D déjà publié. Il permet le calcul du taux de consommation des gaz frais en se basant sur la surface de flamme turbulente. Cette surface est calculée en utilisant un prétraitement géométrique de la chambre de combustion associé à une réduction de l'équation 3D pour la densité de surface de flamme. La formation du CO est calculée à la fois au travers du front de flamme et dans les gaz brûlés en utilisant un schéma cinétique réduit tandis que les NOx sont estimés par le modèle de Zel'dovitch étendu. Le calcul du délai de cliquetis est effectué dans la zone `gaz frais' en décrivant l'évolution d'un précurseur d'auto-inflammation et une corrélation simple est utilisée pour estimer l'intensité du cliquetis correspondante. Le modèle complet est validé avec des données expérimentales concernant un ensemble de points de fonctionnement stabilisés d'un moteur monocylindre. Des variations paramétriques autour des réglages optimaux du moteur sont également réalisées. Un bon accord avec les expériences est observé, montrant l'intérêt de réduire les modèles de CFD 3D afin de construire des modèles 0D prédictifs pour la simulation du système moteur dans son ensemble.