Simulation aux grandes échelles diphasique dans les moteurs downsizes à allumage commande

Two-phase LES in downsized spark ignition engine

• Auteur / Autrice : Nicolas Iafrate
• Direction : Bénédicte Cuenot
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Energétique et Transferts
• Date : Soutenance le 15/03/2016
• Etablissement(s) : Toulouse, INPT
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Mécanique, énergétique, génie civil et procédés (Toulouse)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Centre Européen de Recherche et Formation Avancées en Calcul Scientifique (Toulouse)
• Jury : Président / Présidente : Dany Escudié
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Bénédicte Cuenot, Eric Daniel, Fabrice Foucher, Jean-Baptiste Michel, Nicolas Lamarque
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Eric Daniel, Fabrice Foucher

Mots clés

Mots clés contrôlés

Simulation des grandes échelles

Évaporation

Automobiles -- Moteurs -- Combustion

Automobiles -- Moteurs -- Injection du carburant

Mots clés libres

Simulation aux Grandes Echelles

Injection

Film liquide

Moteur

Large Eddy Simulation

Injection

Liquid film

Engine

Résumé

Le moteur à allumage commandé downsizé, couplé à une stratégie d’injection directe, est l’une des solutions privilégiées par les constructeurs automobiles afin de réduire les émissions polluantes et d’augmenter le rendement. Toutefois, l’augmentation de la pression d’injection visant à favoriser l’atomisation du spray et donc l’homogénéité du mélange peut engendrer une forte interaction entre le spray et les parois de la chambre de combustion. Cette interaction est à l’origine d’hétérogénéités locales susceptibles d’altérer la combustion. Du fait de son caractère instationnaire, l’interaction spray/paroi (formation et évaporation d’un film liquide) et plus généralement la préparation du mélange en moteur à injection directe essence sont des phénomènes difficiles à analyser expérimentalement. En effet, un moteur muni d’accès optiques ne peut pas fonctionner dans les conditions thermodynamiques réelles (pression, température...). Dans ce contexte, la modélisation et plus particulièrement la Simulation aux Grandes Echelles (“Large Eddy Simulation” LES) est un moyen d’analyse complémentaire et indispensable. L’objectif de cette thèse est de développer les modèles physiques nécessaires à la description de la phase liquide avec une approche Euler-Lagrange pour la simulation dans les moteurs à piston. Dans un premier temps, une modélisation des caractéristiques physiques du spray en sortie d’injecteur, nommée GDI, est proposée et validée par comparaison avec des mesures expérimentales. Les résultats montrent la capacité du modèle GDI à reproduire la dynamique générale d’un spray pour deux types d’injecteurs multi-trous. Dans un deuxième temps, deux modèles sont développés pour traiter respectivement l’interaction entre le spray et les parois et l’évaporation du film liquide. Les premières validations de ces modèles sont faites sur des expériences académiques dédiées, permettant des comparaisons précises avec les mesures. Finalement deux configurations moteur sont simulées. La première, sans combustion, permet d’évaluer l’impact d’une modélisation fine de l’interaction spray/paroi par rapport à une approche simplifiée. Les résultats montrent que la prise en compte de la formation et de l’évaporation du film liquide modifie significativement la formation du mélange, notamment le champ de richesse au Point Mort Haut. La seconde est utilisée pour analyser l’impact de la phase liquide sur le mélange et la combustion. Ces calculs sont comparés à des calculs réalisés sans injection liquide et à des mesures expérimentales. Les résultats mettent en évidence que les stratifications de richesse et de température, causées par l’évaporation du liquide, ont un effet de plissement sur la flamme et diminuent sa vitesse de propagation.

Downsized spark ignition engines coupled with a direct injection strategy, are more and more attractive for car manufacturers in order to reduce pollutant emissions and increase efficiency. However, the high pressure levels used to promote spray atomization and consequently mixing can generate a strong interaction between the spray and the combustion chamber walls. The combustion process may be affected by local heterogeneities caused by this interaction. Spray/walls interaction (formation and evaporation of the liquid film) and mixture preparation are unsteady phenomena, explaining why their experimental studies are limited. In fact, it is difficult to reproduce the thermodynamic conditions (pressure, temperature...) representative of an engine with optical accesses. In this context, numerical simulation, and in particular Large Eddy Simulation (LES) is a complementary mean of analysis. This work aims at developing the necessary models for the two-phase combustion simulation for engines, using an Euler-Lagrange approach. First, a modeling of the spray physics downstream to the injector exit is proposed and validated by comparison with experimental data. Second, two models are proposed and implemented to adress respectively the spray/wall interaction and the liquid film evaporation. These models are first validated on dedicated academics experiments, allowing an accurate comparison with experimental data. Then, two engine configurations are simulated. The first one, without combustion, allows the evaluation of an accurate spray/wall interaction modeling in comparison with a simplified approach. Results show that accounting for the formation and evaporation of the liquid film has a significant impact on the fuel/air mixing, especially on the equivalence ratio distribution at the Top Dead Center. The second one is used to analyze the impact of liquid on the mixing and the combustion. The simulations are compared to experiments data and to simulations assuming a perfect gaseous mixing (without liquid injection). Results show that the temperature and equivalence ratio heterogeneities, created by the liquid evaporation, have a wrinkling effect on the flame and reduce its propagation speed.