Contribution to 0D modeling of combustion Diesel: Application to Biodiesel
Contribution à la modélisation 0D de la combustion Diesel: Application au Biodiesel
Résumé
The design and monitoring of modern diesel engines running on alternative fuels require
reliable models that can validly substitute experimental tests and predict their operating
characteristics under different load conditions. Although there exists a multitude of models for
diesel engines, 0D phenomenological models present the advantages of giving fast and accurate
computed results. These models are useful for predicting fuel spray characteristics and
instantaneous gas state. However, there are few reported studies on the application of 0D
phenomenological models on Biodiesel fuel combustion in diesel engines. This work reports
the elaboration, validation and application on local Biodiesel combustion of a 0D
phenomenological model for diesel engine simulation.
The model addresses some specific aspects of diesel engine modeling found in previous
studies such as the compromise between computers cost, accurateness and model simplicity,
the reduction of the number of empirical fitting constant, the prediction of combustion kinetics
with reduction of the need of experimental curve fitting, the ability to simultaneously predict
under various loads engine thermodynamic and spray parameters as well as emission
characteristics and finally the ability to simulate diesel engine parameters when fueled by
alternative fuels. The model is implemented using a tabulated chemistry approach through a
Matlab code. The proposed model predicts fuel spray behavior, in cylinder combustion and
nitric oxides (NOx) emissions. The model is mainly based on Razlejtsev’s spray evaporation
model, Watson’s double Wiebe function and Ferguson’s tabulated chemistry thermodynamic
cycle algorithm. NOx emissions are implemented in the model using the extended Zeldovich
mechanism, heat transfer and ignition delay are also taken into account in the model. The model
is validated experimentally and the results show a good match both for the modeling of the
conventional diesel combustion and Biodiesel. The running time of the model is about 25
seconds for a full cycle. It was also shown that our model is stable for variable time steps and
thermochemical data for usual surrogates fuels can also be used effectively for the model.
La conception et le suivi des moteurs diesel modernes fonctionnant à l’aide de
carburants alternatifs exigent des modèles fiables qui peuvent valablement remplacer les essais
expérimentaux et prédire leurs caractéristiques de fonctionnement pour différentes conditions
de charge. Bien qu'il existe une multitude de modèles appliqués à la combustion diesel, les
modèles 0D phénoménologiques présentent les avantages de donner des résultats précis avec
des temps d’exécution relativement courts. Ces modèles sont utiles pour la prévision des
caractéristiques de pulvérisation du combustible et de l'état instantané des produits de
combustion. Cependant, on note une certaine rareté dans la littérature scientifique,
d'applications de ce type de modèle pour la combustion des Biodiesels dans les moteurs diesel.
Ce travail porte sur l'élaboration, la validation et l'application à la combustion d’un Biodiesel
local, d'un modèle 0D phénoménologique de simulation de la combustion diesel.
Ce travail traite de certains aspects spécifiques à la modélisation de la combustion diesel
tels que traités dans la littérature, à savoir : le compromis entre temps d’exécution, la précision
et la simplicité des modèles; la réduction du nombre de constantes empiriques ; la prédiction de
la cinétique de combustion sans données expérimentales préalables au calibrage du modèle ; la
capacité à simuler pour différents points de fonctionnement les paramètres thermodynamiques
des produits de combustion, de pulvérisation du carburant et d’émissions polluantes ; la
capacité à simuler les paramètres du moteur diesel lors d’un fonctionnement au Biodiesel pour
différents régimes de fonctionnement. Le modèle est implémenté en utilisant une approche à
chimie tabulée sous code Matlab. Le modèle proposé prédit la pulvérisation du combustible, la
combustion dans le cylindre et les émissions d’oxydes d’azote(NOx). Le modèle est
principalement basé sur le modèle d'évaporation et pulvérisation de Razlejtsev, le modèle de
dégagement de chaleur à double fonction de Wiebe de Watson et le modèle de combustion à
chimie tabulée d’Olikara et Ferguson. Les émissions de NOx sont calculées à partir du
mécanisme étendu de Zeldovich, les transferts thermiques et le délai d’auto inflammation sont
également pris en compte dans le modèle. Le modèle est validé expérimentalement et les
résultats présentent une bonne adéquation tant pour la modélisation de la combustion diesel
conventionnelle que celle du Biodiesel. Le temps d’exécution du modèle est d‘environ 25
secondes pour un cycle complet. Il a également été montré que notre modèle est stable pour un
pas de temps variable et que les données thermochimiques des carburants de substituts usuels
peuvent également être utilisées de manière effective pour le modèle.