A Physics and Tabulated Chemistry Based Compression Ignition Combustion Model: from Chemistry Limited to Mixing Limited Combustion Modes

Un modèle de combustion à allumage par compression basé sur la physique et la chimie tabulée : des modes de combustion contrôlés par la chimie jusqu’aux modes contrôlés par le mélange

¹ Institut PRISME, Université d’Orléans, 8 rue Léonard de Vinci, 45072 Orléans Cedex 2 - France
² Renault, 1 allée Cornuel - 91510 Lardy - France
e-mail: nicolas.bordet@renault.com - christian.caillol@univ-orleans.fr - pascal.higelin@univ-orleans.fr - vincent.talon@renault.com

^⋆ Corresponding author

Abstract

This paper presents a new 0D phenomenological approach to predict the combustion process in multi injection Diesel engines operated under a large range of running conditions. The aim of this work is to develop a physical approach in order to improve the prediction of in-cylinder pressure and heat release. Main contributions of this study are the modeling of the premixed part of the Diesel combustion with a further extension of the model for multi-injection strategies. In the present model, the rate of heat release due to the combustion for the premixed phase is related to the mean reaction rate of fuel which is evaluated by an approach based on tabulated local reaction rate of fuel and on the determination of the Probability Density Function (PDF) of the mixture fraction (Z), in order to take into consideration the local variations of the fuel-air ratio. The shape of the PDF is presumed as a standardized β-function. Mixture fraction fluctuations are described by using a transport equation for the variance of Z. The standard mixture fraction concept established in the case of diffusion flames is here adapted to premixed combustion to describe inhomogeneity of the fuel-air ratio in the control volume. The detailed chemistry is described using a tabulated database for reaction rates and cool flame ignition delay as a function of the progress variable c. The mixing-controlled combustion model is based on the calculation of a characteristic mixing frequency which is a function of the turbulence density, and on the evolution of the available fuel vapor mass in the control volume. The developed combustion model is one sub-model of a thermodynamic model based on the mathematical formulation of the conventional two-zone approach. In addition, an extended sub-model for multi injection is developed to take into account interactions between each spray by describing their impact on the mixture formation. Numerical results from simulations are compared with experimental measurements carried out on a 2 liter Renault Diesel engine and good agreements are found.

Résumé

Ce papier présente une nouvelle approche 0D phénoménologique pour prédire le déroulement de la combustion dans les moteurs Diesel à injection directe pour toutes les conditions d’utilisation usuelles. Le but de ce travail est de développer une approche physique en vue d’améliorer la prédiction de la pression cylindre et du dégagement d’énergie, avec un nombre minimum d’essais nécessaires à la calibration. Les contributions principales de cette étude sont la modélisation de la phase de pré-mélange de la combustion et une extension du modèle pour les stratégies d’injections multiples. Dans ce modèle, le taux de dégagement d’énergie dû à la combustion pour la phase pré-mélangée est relié à un taux de réaction moyen du carburant. Ce taux de réaction moyen de carburant est évalué à l’aide d’une approche basée sur un taux de réaction local de carburant tabulé et la détermination d’une fonction de densité de probabilité (PDF) de la fraction de mélange (Z). Cette PDF permet de prendre en compte la distribution de richesse existante dans la zone pré-mélangée. L’allure de cette PDF présumée est une β-fonction standardisée. Les fluctuations de la fraction de mélange sont décrites avec une équation de transport pour la variance de Z. La définition standard de la fraction de mélange, établie dans le cas de flammes de diffusion, est ici adaptée à une combustion pré-mélangée de type Diesel pour décrire l’inhomogénéité de la richesse dans le volume de contrôle. La chimie détaillée est décrite au travers de la tabulation du taux de réaction relatif à la flamme principale et du délai d’auto-inflammation relatif à la flamme froide, ces tabulations sont fonction de la variable d’avancement c, du taux de gaz brûlé ainsi que des grandeurs thermodynamiques telles que la température et la pression. Le modèle de combustion de diffusion est basé sur l’évaluation d’une fréquence de mélange qui est fonction du taux de turbulence dans la chambre et fonction de la masse de carburant vapeur disponible. Ce modèle de combustion est l’un des sous-modèles inclus dans le modèle thermodynamique de chambre de combustion basé sur une approche 2 zones différentiant gaz frais et gaz brûlés. De plus, un sous-modèle concernant la multi-injection a été développé pour prendre en compte les interactions entre les jets et pour décrire l’impact de la multi-injection sur le mélange air/carburant. Les résultats numériques ont été comparés aux mesures réalisées sur un moteur Diesel Renault de 2 litres. Pour l’ensemble des points de fonctionnement explorés, une bonne correspondance a été obtenue entre les résultats issus des simulations et les mesures expérimentales.