Multiscale Engine Simulations using a Coupling of 0-D/1-DModel with a 3-D Combustion Code

Simulations multi-échelles de moteur à combustion interne par couplage de modèle 0D/1D avec un code de combustion 3D

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

Corresponding authors: julien.bohbot@ifp.fr marjorie.miche@ifp.fr pierre.pacaud@ifp.fr adlene.benkenida@ifp.fr

Abstract

Requirements for the reduction of both pollutant emissions and fuel consumption mean that there is a need to design of new engine concepts (e.g. HCCI, CAI, etc.). To reduce the time of the development loop for these concepts, 1D approaches can be used to simulate whole-engine behaviour. These approaches are based on phenomenological models that need to be fitted to experimental data. However these data are not always available. One way to solve this problem consists in combining 1D and 3D approaches: 1D simulations are used in the gas exchange system or for the fuel injection system and provide necessary inputs (e.g. volumetric efficiency, thermodynamic state, mixture composition, mass flow rate, etc.) for 3D simulations which are used in the combustion chamber to ensure an accurate description of the combustion process (especially pollutant emissions). This strategy allows us to obtain much more information and should improve the predictivity of the simulation. Two different approaches to carry out this coupling have been developed, the first one is based on the pre-processing of the 3D numerical results to generate combustion maps and the second one used a direct temporal coupling between the 1D and the 3D codes. The two methods are described in this paper. We also report on the relevant engine simulations which were carried out to demonstrate the capabilities of the two coupled approaches.

Résumé

La réduction des émissions polluantes et de la consommation de carburants des moteurs à combustion interne nécessite le développement de nouveaux concepts utilisant des modes de combustion non conventionnels (e.g. HCCI, CAI). Pour réduire les temps de développement et évaluer les bénéfices attendus de ces prototypes, la simulation système est couramment utilisée et permet de simuler le comportement de l'ensemble du moteur et de tous les sous-systèmes qui le composent (Turbo, circuit EGR, etc.). Cette approche système 0D/1D utilise des modèles physiques phénoménologiques nécessitant des bases de données expérimentales afin de fixer les valeurs des différents paramètres des modèles. Toutefois, ces données ne sont pas toujours disponibles. Pour résoudre ce problème, une solution consiste à combiner les approches systèmes et la simulation 3D. En effet, la simulation système peut être utilisée pour simuler la boucle d'air et l'injection de carburant afin de fournir les données nécessaires à la simulation 3D de la chambre de combustion. Cette utilisation conjointe de la simulation système et de la simulation 3D permet d'améliorer la précision des simulations moteurs. Pour cela, deux méthodologies ont été développées et sont décrites dans ce papier. La première méthode est basée sur un prétraitement de simulation 3D afin de générer une cartographie numérique et expérimentale de la combustion qui peut être utilisée par les modèles phénoménologiques 0D. La deuxième méthodologie utilise un couplage temporel direct entre le simulateur 0D/1D et le code de combustion 3D. Ces deux méthodologies de couplage sont décrites et appliquées sur des configurations moteurs afin de démontrer l'intérêt de ces simulations couplées.