Soot formation and oxidation modelling in an automotive engine
Modélisation de la formation et de l'oxydation des suies dans un moteur automobile
Résumé
This work deals with soot formation and oxidation modelling. The objective is to optimize the development of thermic engines to reduce soot particle emissions. To reach this goal, a soot model was developed and coupled to a combustion model in a 3D aerothermic code. The soot model target is to reproduce the particle size distribution with a reasonable accuracy. Therefore, a sectional method was used and improved in order to satisfy to industrial criteria in terms of computational time and memory load. In a first step, a detailed kinetic mechanism for oxidation of model engine fuels was developed and validated in a large range of pressure and experimental configurations. This mechanism allows the modelling of aromatic compounds formation in the gas phase: initial step of the soot model. If the use of detailed chemistry is necessary to satisfy accuracy demands, it requires tabulation techniques for the soot chemistry in order not to recalculate the chemical terms locally, which is very expensive in computational time. Three types of tables, implying different couplings to the combustion model, were proposed. The integration of the soot model into STAR-CD™ required the implementation of the generated tables, the soot model equations and the coupling of the soot model to the combustion model. A first validation was performed with fixed data within the tables in order to be free from the coupling hypothesis made. In a second step, the combustion simulation of a full-load conventional engine was performed. The results obtained were sensible, so a last validation was carried out and based on the results of a set of experimental measurements (LII technique) from an optical engine under partial-load.
Ce travail porte sur la modélisation de la formation et l'oxydation des suies avec, comme objectif final, l'optimisation du développement des moteurs thermiques en terme de réduction des émissions de particules. Pour atteindre cet objectif, un modèle de suie a été développé et couplé à un modèle de combustion dans un code aérothermique 3D. Le modèle de suie vise à reproduire la distribution en taille des particules avec une précision raisonnable. Pour ce faire, une méthode de sectionnement a été choisie et améliorée afin de satisfaire à des critères industriels en termes de temps de calcul et de charge mémoire. Dans une première étape, un mécanisme cinétique détaillé d'oxydation d'hydrocarbures représentatifs des carburants a été développé et validé dans de larges domaines de pression et de configurations expérimentales. Ce mécanisme permet de modéliser la formation de composés aromatiques dans la phase gaz, étape initiale du modèle de suie. Si l'utilisation d'une cinétique détaillée est indispensable pour satisfaire aux exigences de précision, elle nécessite le recours à des techniques de tabulation de la chimie afin de ne pas recalculer les termes chimiques localement, ce qui est trop coûteux en temps de calcul. Trois types de tables, impliquant des couplages différents avec le modèle de combustion, ont été proposés. L'intégration du modèle de suie dans STAR-CD™ a nécessité l'implantation des tables générées, des équations du modèle de suie et du couplage entre le modèle de suie et le modèle de combustion. Une première validation a été réalisée avec des valeurs de table imposées afin de s'affranchir des hypothèses de couplage. Dans un deuxième temps, la simulation de la combustion dans un moteur conventionnel, à pleine charge, a été réalisée. Les résultats obtenus étant encourageants, une dernière validation a été effectuée sur la base d'une campagne de mesures (technique LII) réalisées sur moteur à accès optiques fonctionnant en charge partielle.
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