Quantitative Pollutant Modelling: an Essential Prerequisite for Diesel HCCI and LTC Engine Design

Modélisation quantitativement prédictive des polluants : un pré-requis essentiel pour l'aide au développement des concepts HCCI et LTC Diesel

Institut français du pétrole, IFP, 1-4 avenue de Bois-Préau, 92852 Rueil-Malmaison Cedex - France

Corresponding authors: vincent.knop@ifp.fr henri.kircher@ifp.fr stephane.jay@ifp.fr philippe.beard@ifp.fr antonio.pires-da-cruz@ifp.fr olivier.colin@ifp.fr

Abstract

To face the demand for efficient and environmentally-friendly engines, the Diesel HCCI (Homogeneous Charge Compression Ignition) and LTC (Low Temperature Combustion) concepts have been developed in order to drastically reduce the pollutant emissions of present Diesel engines at part load while maintaining their fuel consumption attractive. To be useful in the optimisation procedure of such new engine concepts, 3D CFD (Computational Fluid Dynamics) simulation softwares have to be predictive in terms of consumption and pollutants not only qualitatively (emphasising the global trends) but also quantitatively (providing reliable numbers to allow design or strategy comparisons). The implementation of accurate predictive combustion and pollutant models in 3D CFD codes are consequently a prerequisite to the use of these simulation tools to develop new combustion chamber designs or to test unconventional operating strategies. Pollutant modelling is a very difficult task because the pollutant formation and conversion during and after combustion heavily depend on the mixture formation and combustion processes that define the initial conditions for their complex chemical reactions. Furthermore, the occurring complex chemical reactions are far from being totally known. The correct prediction of the mixture formation and combustion processes are therefore essential for a correct pollutant prediction. However, the complex chemistry controlling the pollutant formation needs to be reduced to propose models that give accurate results with a reasonable CPU time consumption. For the HCCI and LTC engine concepts, the operating restrictions are mainly the NO_x/soot trade-off and the noise level. The noise level may be related to the pressure rise and its prediction will therefore be a matter of accurate combustion description. On the other hand, the NO_x/soot trade-off can only be numerically handled if accurate pollutant models are available. In the present study, the NO_x model is the extended Zeldovitch model while the soot model is the PSK (Phenomenological Soot Kinetics) model coupled with the CORK (CO Reduced Kinetics) model to ensure a correct energy balance.

Résumé

Pour répondre aux exigences actuelles en termes d'efficacité et d'impact sur l'environnement des moteurs automobiles Diesel, les concepts de combustion HCCI (Homogeneous Charge Compression Ignition) et LTC (Low Temperature Combustion) ont été développés avec comme objectif la réduction des émissions polluantes à charge partielle tout en conservant les niveaux de consommation actuels. Afin d'être utile à l'optimisation de ces nouveaux modes de combustion, les logiciels de Mécanique des Fluides Numérique 3D ne doivent pas se limiter à prédire qualitativement la consommation et les émissions polluantes mais doivent s'orienter vers une prédiction quantitative de ces grandeurs. L'implantation de modèles prédictifs de combustion et de formation de polluants dans les codes de Mécanique des Fluides Numérique 3D est, par conséquent, un pré-requis pour l'utilisation des outils de conception assistée par ordinateur dans le cadre du développement de nouvelles géométries de chambre de combustion ou de nouvelles stratégies de fonctionnement. La modélisation des émissions polluantes est une tâche très difficile car les phénomènes conduisant à l'apparition et à la conversion des espèces polluantes sont régis par des réactions de chimie complexe et ont lieu pendant ou juste après la formation du mélange et la combustion et dépendent donc en grande partie de ces deux phénomènes. Pour ajouter à la difficulté, ces réactions de chimie complexe ne sont actuellement pas complètement connues. La prédiction des émissions polluantes dans un outil d'analyse industriel nécessite, simultanément, une bonne prédiction de la formation du mélange et de la combustion ainsi qu'une réduction des schémas de cinétique chimique pour disposer de modèles prédictifs sans pour autant conduire à des temps de calcul prohibitifs. Les concepts de combustion HCCI et LTC ont des plages de fonctionnement qui sont principalement limitées par le niveau de bruit issu de la combustion et le compromis entre émissions de NO_x et de suies. Le niveau de bruit est lié au déroulement de la combustion, et principalement au gradient de pression, ce qui fait dépendre la qualité de sa description de la qualité de la modélisation de la combustion. Le compromis entre émissions de suies et de NO_x ne peut lui être prédit que si des modèles fiables existent pour ces espèces. Dans la présente étude, le modèle de Zeldovitch étendu est utilisé pour les oxydes d'azote alors que le modèle PSK (Phenomenological Soot Kinetics), couplé au modèle CORK (CO Reduced Kinetics) pour assurer le bilan énergétique, vise à modéliser les émissions de suies.