Modeling Turbulent Combustion and Pollutant Formation in Stratified Charge Si Engines Modélisation de la combustion turbulente et de la formation des polluants dans les moteurs à allumage commandé avec charge stratifiée

Abstract

A conditional averaging approach is applied to model combustion and pollutant formation in stratified charge spark-ignition engines. A set of diagnostic equations follows the local composition and temperature of the unburned gases during combustion. The Coherent Flame Model is chosen to simulate combustion. It is extended to rich or diluted combustion. NO and CO reaction rates are computed conditionally based on the burned gas temperature with two contributions : a source term function of the flamelet density and unburned gas composition and temperature, and another source term including equilibrium and kinetic mechanisms in the burned gas. The coupled combustion and pollutant models are implemented in the Kiva-2 code and tested on a simple engine geometry for a set of operating conditions including variation of equivalence ratio, dilution by residual gases and fuel stratification. The ability of the model to reproduce observed trends for combustion rate is demonstrated. The influence of the local laminar flame on the burn rate is pointed out. A much larger production rate of NO and CO during combustion resulting in higher computed NO levels for most of the operating conditions, and similar final CO levels after combustion completion is observed for the conditional averaging as compared to the usual ensemble averaging procedures. The predicted levels of emissions are comparable to measured engine values. Une méthode mettant en Suvre des moyennes conditionnelles est appliquée aux modélisations de la combustion et de la formation des polluants dans les moteurs à allumage commandé avec charge stratifiée. Un système d'équations décrit, pendant la combustion, la composition et la température locales du gaz encore non brûlé. Le modèle de flamme cohérente (CFM) a été choisi pour simuler la combustion ; il a été étendu aux combustions en mélange riche ou dilué. Les taux de réactions concernant le NO et le CO sont calculés en prenant comme conditions de référence les températures des gaz brûlés et en considérant deux contributions : un premier terme source est fonction de la densité de flammelettes, de la température et de la composition des gaz frais, et un autre terme source prend en compte les mécanismes d'équilibre et de cinétique dans les gaz brûlés. Les modèles couplés de combustion et de formation des polluants ont été introduits dans le code numérique Kiva-2 et testés avec une géométrie simple de moteur, ceci pour un ensemble de conditions de fonctionnement incluant des variations de richesse, de dilution par des gaz résiduels et de stratification du carburant. Pour les taux de combustion, la capacité du modèle à reproduire les tendances observées est démontrée. L'influence sur le taux de combustion de la flamme laminaire locale est mise en évidence. L'introduction des moyennes conditionnelles, comparée aux procédures habituelles utilisant des moyennes d'ensembles, conduit à des taux de production de NO et de CO plus importants pendant la combustion, avec pour conséquence des niveaux calculés de NO plus élevés pour la plupart des conditions opératoires, et finalement des niveaux CO similaires à l'issue de la combustion. Les niveaux d'émissions prédits sont comparables aux valeurs mesurées sur moteur.