0-dimensional modeling of the combustion of alternative fuels in spark ignition engines
Modélisation 0D de la combustion des carburants alternatifs dans les moteurs à allumage commandé
Résumé
A promising way to reduce green house gases emissions of spark ignition (SI) engines is to burn alternative fuels like bio-mass-derived products, hydrogen or compressed natural gas. However, their use strongly impacts combustion processes in terms of burning velocity and emissions. Specific engine architectures as well as dedicated control strategies should then be optimized to take advantage of these fuels. Such developments are today increasingly performed using complete engine simulators running in times close to the real time and thus requiring very CPU efficient models. For this purpose, 0-dimensional models are commonly used to describe combustion processes in the cylinders. These models are expected to reproduce the engine response for all possible fuels, which is not an obvious task regarding the mentioned CPU constraints. Works performed in this thesis aimed at developing the 0-dimensional combustion model CFM1D (Coherent Flame Model) to improve the prediction of heat release, pollutants emissions and auto-ignition phenomena in SI engines when fuel composition variations are considered. The CFM formalism distinguishes two zones: the fresh and the burnt gases, which are separated by a flame front and are both described by their temperature, mass and composition. In this formalism, the rate of consumption of species is directly linked to the combustion and post-oxidation processes highly dependent on chemistry and turbulence mechanisms. In the original version of CFM1D, these mechanisms are represented by simple approaches which can suffer from a lack of predictivity. The prediction of pollutant formation can therefore be limited by the simple or reduced chemistries used to describe kinetics in the chamber. These latter are indeed defined in very restrictive validity domains in terms of temperature, pressure and composition. In the same way, the flame velocity, wrinkling or potential auto-ignition delays stepping in the heat release computation are defined by phenomenological correlations initially developed under a limited number of validation points. All these limitations can finally lead to a wrong behavior of the combustion model to thermodynamic and compositions variations and therefore required a number of improvements presented in this manuscript. The originality of the model derives from the fact it is based on the integration of complex chemistry in CFM1D using methods inspired from recent 3D (Computational Fluid Dynamics) CFD works.
Pour satisfaire les exigences environnementales et d'agrément de conduite, le moteur automobile a évolué en une vingtaine d'années en un système très complexe combinant de nombreux composants de haute technologie avec des stratégies de contrôle très élaborées. L’optimisation et le contrôle de ce système sont alors devenus de véritables challenges pour les constructeurs automobiles. Ces derniers points sont aujourd'hui d'autant plus complexes que le contexte actuel de raréfaction des ressources impose de plus en plus le couplage ou le remplacement des carburants conventionnels par des carburants alternatifs tels que l’éthanol, le gaz naturel ou encore l’hydrogène. Ces nouveaux carburants présentent, en plus de leur intérêt économique, un certain nombre de propriétés physico-chimiques favorisant un meilleur rendement du moteur ainsi que la réduction des gaz à effet de serre. L’élaboration de ces nouveaux moteurs est finalement rendue possible par l'utilisation de dispositifs physiques et numériques de plus en plus sophistiqués. Dans ce contexte, les outils de simulation système destinés aux groupes motopropulseurs se sont démocratisés et peuvent aujourd'hui être utilisés à toutes les étapes de développement des moteurs, du choix de l’architecture au développement des stratégies de contrôle et à la calibration. Cependant, l'efficacité de tels outils demande encore à être améliorée afin de fournir un haut niveau de prédictivité couplé à un temps de calcul proche du temps réel. Les travaux réalisés lors de cette thèse ont visé à contribuer au développement du modèle de combustion 0-dimensionnel CFM1D (Coherent Flame Model) afin d’améliorer la prédiction du dégagement d'énergie, des polluants et des phénomènes d'auto-inammation (AI) dans les moteurs à allumage commandé lorsque des variations de la composition du carburant sont considérées. Le formalisme CFM distingue deux zones : les gaz frais et les gaz brûlés qui sont séparés par un front de flamme et qui sont entièrement décrits par leur masse, température et composition. Dans ce formalisme, le taux de consommation des espèces est directement lié aux processus de combustion et de post-oxydation assujettis aux mécanismes de chimie et de turbulence. Dans la version initiale du CFM1D, ces mécanismes sont représentés par des approches simples pouvant souffrir d'un manque de prédictivité. Ainsi, la prédiction de la formation de polluants peut être limitée par les chimies simples ou réduites la décrivant. Ces dernières sont en effet généralement définies dans des domaines de validité restreints en température, pression et composition. De la même manière, le calcul de la vitesse de flamme laminaire, de l'étirement de la flamme ou encore des éventuels délais d'auto-inammation intervenant dans l'évaluation du dégagement d'énergie met en jeux des corrélations phénoménologiques initialement développées sur un nombre limités de points de validation. Toutes ces limitations peuvent finalement entraîner une mauvaise réaction du modèle de combustion à des variations thermodynamiques ou de compositions et ont donc nécessite un certain nombre d'améliorations présentées dans ce manuscrit. L'originalité des développements réside dans l'intégration de chimie complexe dans le modèle CFM1D en utilisant des méthodes inspirées de récents travaux de CFD (Computational Fluid Dynamics) 3D.
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Origine : Version validée par le jury (STAR)