Development of a Coupling Approach between 0D D.I. Diesel Combustion and Pollutant Models: Application to a Transient Engine Evolution

Modélisation 0D des émissions polluantes Diesel : développement et utilisation d'une méthodologie de couplage entre un modèle de combustion Diesel 0D et un modèle de polluants

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

Corresponding authors: f-alexandre.lafossas@ifp.fr michaelmarbaix@gmail.com pascal.menegazzi@ifp.fr

Abstract

The constant increase in pollutant emissions constraints has obliged automotive manufacturers to adopt a global optimization approach of engine and exhaust after-treatment technology. Engine control strategies appear to be a powerful solution to address this issue. The problem is particularly complex since acceptable drivability must be maintained whilst at the same time reducing in-cylinder pollutant emissions and ensuring optimum conditions to attain highconversion efficiencies via exhaust gas after-treatment systems. The development of appropriate control strategies can only be achieved with an in-depth understanding of the engine behaviour, using experimental results and system numerical simulations. In this context, predictive combustion and pollutant emissions models, which are calibrated with experimental data, are particularly useful as they allow a wide range of parametric variations to be studied. This paper presents an advanced Diesel combustion model based on a Barba's approach [Barba C. et al. (2000)- A Phenomenological Combustion Model for Heat Release Rate Prediction in High Speed DI Diesel Engines with Common Rail Injection, SAE Technical Paper 2000-01-2933]. This model can be applied to multi-injection, defining a pre-mixed combustion zone for the pilot injection and a diffusion combustion mode for the main injection. To assess the in-cylinder pollutant emissions, a mixing model based on the turbulent kinetic energy generated by the spray, is added to define a burnt gas zone in which post-flame chemistry including CO, NO_x and soot formation can be computed. This model is first validated using CHEMKIN and 3D CFD results. Then, using experimental results, a 4 cylinders D.I. Diesel engine is calibrated on steady state engine operating conditions and coupled to an engine control to predict the evolution of pollutant emissions under transient conditions.

Résumé

Afin de satisfaire les normes de pollution de plus en plus sévères, les constructeurs automobiles ont généralisé l'utilisation du contrôle électronique du moteur. Ce contrôle permet de s'assurer en permanence du fonctionnement optimum du moteur en adéquation avec la demande de couple du conducteur et le bon fonctionnement des organes de post-traitement. Le développement et la calibration des algorithmes de contrôle moteur ne peuvent se faire qu'avec une compréhension fine du comportement dynamique du groupe motopropulseur, couplé à sa ligne d'échappement. Jusqu'à présent, un grand nombre d'essais sur banc moteur et sur véhicule était nécessaire pour atteindre des niveaux de calibration suffisants pour le contrôleur. Afin de diminuer les coûts de production, il devient de plus en plus important de limiter ces essais expérimentaux en ayant recours à la simulation. Dans ce contexte, il est important de disposer de modèles de combustion et de polluants prédictifs, calibrés sur un nombre limité de points expérimentaux et utilisables sur une grande plage de points de fonctionnement moteur. Ce papier présente un modèle 0D de combustion Diesel, basé sur le modèle de Barba [Barba C. et al. (2000) - A Phenomenological Combustion Model for Heat Release Rate Prediction in High Speed DI Diesel Engines with Common Rail Injection, SAE Technical Paper 2000-01-2933], permettant en particulier de prendre en compte l'impact de la multi-injection sur le déroulement de la combustion. Le modèle répartit chaque injection en deux zones : une première pour la flamme de pré-mélange lors du début de la combustion et une autre pour la flamme de diffusion. Afin de simuler la production de polluants, un modèle de mélange indexé sur l'énergie cinétique turbulente générée par le spray a été introduit. Ce dernier modèle permet de créer une zone de gaz brûlés dans la chambre de combustion dans laquelle les émissions de CO, NO_x et suies sont calculées. Les modèles de polluants sont d'abord validés en utilisant le logiciel CHEMKIN et des résultats de calculs 3D. Des résultats expérimentaux obtenus sur un moteur 4 cylindres Diesel à injection directe en fonctionnement stabilisé sont ensuite utilisés pour valider et calibrer le couplage entre le modèle de combustion et les modèles de polluants. Le simulateur ainsi calibré est enfin utilisé pour simuler un fonctionnement en transitoire de charge du moteur.