Modélisation 0D pour la combustion dans les moteurs à allumage commandé PDF Download
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Book Description
Depuis quelques années, les modèles 0D trouvent un regain d'intérêt auprès des motoristes. En effet, ces modèles, fournissant aisément un comportement thermodynamique du moteur, peuvent être couplés avec des outils de contrôle moteur. Néanmoins, leur précision doit être augmentée, pour répondre aux enjeux technologiques actuels. Dans les moteurs à allumage commandé, la flamme turbulente prémélangée est modélisée comme un ensemble de flammelettes cohérentes entre elles. Cette approche généraliste nécessite un traitement particulier en proche paroi, motivé par une modification de la structure de flamme due aux couches limites thermique et cinématique. Ce présent travail propose des approches de modélisations 0D de la combustion, en proche paroi et dans la zone réactionnelle de la flamme. Pour modéliser la combustion en proche paroi, la flamme est scindée en une contribution en propagation libre, et une contribution en interaction avec les parois. Chaque contribution est divisée en une zone de transport, dans laquelle l'entraînement des gaz frais est décrit, et une zone de réaction, dans laquelle la réaction de combustion est modélisée. L'ajout d'une zone de réaction en interaction avec les parois permet de modéliser un gradient de température et une réaction de combustion ralentie en proche paroi. Pour modéliser la zone réactionnelle, une discrétisation de la flamme en N zones de réaction indépendantes est proposée. Une plage de fonctionnement moteur a été simulée avec nos approches de modélisation, afin de quantifier la variabilité des paramètres de calibration. Pour ce faire, les modèles sont calibrés sur chaque point de fonctionnement, par une méthode de minimisation de l'erreur quadratique moyenne sur la loi de dégagement d'énergie. Des corrélations aisées de paramètres de calibration peuvent être établies, en fonction de paramètres moteurs. Les résultats de simulations, obtenus à partir de ces corrélations, sont satisfaisants.
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Depuis quelques années, les modèles 0D trouvent un regain d'intérêt auprès des motoristes. En effet, ces modèles, fournissant aisément un comportement thermodynamique du moteur, peuvent être couplés avec des outils de contrôle moteur. Néanmoins, leur précision doit être augmentée, pour répondre aux enjeux technologiques actuels. Dans les moteurs à allumage commandé, la flamme turbulente prémélangée est modélisée comme un ensemble de flammelettes cohérentes entre elles. Cette approche généraliste nécessite un traitement particulier en proche paroi, motivé par une modification de la structure de flamme due aux couches limites thermique et cinématique. Ce présent travail propose des approches de modélisations 0D de la combustion, en proche paroi et dans la zone réactionnelle de la flamme. Pour modéliser la combustion en proche paroi, la flamme est scindée en une contribution en propagation libre, et une contribution en interaction avec les parois. Chaque contribution est divisée en une zone de transport, dans laquelle l'entraînement des gaz frais est décrit, et une zone de réaction, dans laquelle la réaction de combustion est modélisée. L'ajout d'une zone de réaction en interaction avec les parois permet de modéliser un gradient de température et une réaction de combustion ralentie en proche paroi. Pour modéliser la zone réactionnelle, une discrétisation de la flamme en N zones de réaction indépendantes est proposée. Une plage de fonctionnement moteur a été simulée avec nos approches de modélisation, afin de quantifier la variabilité des paramètres de calibration. Pour ce faire, les modèles sont calibrés sur chaque point de fonctionnement, par une méthode de minimisation de l'erreur quadratique moyenne sur la loi de dégagement d'énergie. Des corrélations aisées de paramètres de calibration peuvent être établies, en fonction de paramètres moteurs. Les résultats de simulations, obtenus à partir de ces corrélations, sont satisfaisants.
Author: Vincent Talon Publisher: ISBN: Category : Languages : fr Pages : 349
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Les normes de pollution de plus en plus drastiques et les temps de développement des moteurs à combustion interne de plus en plus courts imposent d'utiliser des modèles embarqués pour le contrôle ainsi que pour l'étude paramétrique lors les phases de dimensionnement et d'optimisation. La modélisation physique 0-1D des moteurs à allumage commandé permet de prédire le remplissage et le déroulement de la combustion aussi bien en phase stationnaire que transitoire avec un excellent niveau de fiabilité et de corrélation par rapport aux essais tout en respectant les contraintes de pas de calcul permettant de réaliser des simulations en temps réel. Deux grands thèmes ont été abordés : La modélisation de l'acoustique des tubulures : - Nouveau modèle bondgraph d'acoustique basé sur l'approche de Godunov et de Roe - Méthode pour prendre en compte les conditions aux limites - Modèle 0D de turbocompresseur (avec approximation des champs compresseur et turbine) La modélisation de la combustion : - Modèle de Wiebe en formulation bondgraph (avec une méthode d'identification) - Modèle Eddy Burn Up en formulation bondgraph (avec une méthode d'identification) - Deux nouvelles méthodes de prise en compte de la variation cyclique
Author: Sokratis Demesoukas Publisher: ISBN: Category : Languages : en Pages : 0
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Nowadays, the design of Spark Ignition internal combustion engines is focused on the reduction of fuel consumption and low pollutant emissions, while conserving an adequate output power. The high cost of experimental testing comes in favor of the use of numerical simulations for the assessment of engine technologies. Phenomenological Zero-Dimensional combustion models allow evaluating various technical concepts since they take into account various aspects of spark ignition combustion such as chamber geometry, laminar flame characteristics (thickness and speed) and the impact of turbulence. Such models also calculate species concentration of the exhaust gases. In order to create a zero-dimensional combustion model, which can be able to describe correctly the physics of combustion, the key aspects of laminar and turbulent premixed combustion are identified. Three versions of typical combustion models are compared in terms of physical description of the combustion process. The result of this comparison indicated the most physically pertinent mod-el (the Flame Surface Density model). This model is retained and is enhanced with physical modeling of the several phenomena, which affect the heat release rate. Those phenomena are the wall-flame interaction, post-flame reactions and flame stretch. Finally, the proposed model is validated for several engine configurations. Each configuration has an impact on a specific engine parameter. This analysis shows which are the confidence intervals and the limitations of the proposed model.
Author: Maria Adelina Rivas Caicedo Publisher: ISBN: Category : Languages : fr Pages : 0
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Cette thèse a été développé grâce à une Conventions Industrielles de Formation par la Recherche (CIFRE). Cette convention fait partie d'un programme de l'Association nationale de la recherche et de la technologie (ANRT), coordonné par le Centre nationale de la recherche scientifique (CNRS). L'accord CIFRE subventionne les entreprises françaises qui engagent un thésard pour conduire un projet scientifique dans l'entreprise, en partenariat avec un laboratoire publique de recherche. Pour cette thèse, l'accord CIFRE a été signé par Renault et les laboratoires GIPSA Lab de Grenoble et PRISME d'Orléans.Cette thèse se focalise sur la modélisation 0D, en particulier sur une description plus détaillé du processus de la combustion et l'estimation des masses enfermées dans la chambre de combustion d'un moteur à allumage commandé (Spark Ignited (SI) engine). Les principaux développements comportent des points suivants :- L'impact flamme parois pendant la combustion : un nouveau modèle pour prendre en compte ce phénomène dans le cadre d'un modèle de combustion 0D à deux zones a été développé. Ce modèle permet de prendre en compte la géométrie de la chambre de combustion et la proportion de flamme que brûle proche des parois du cylindre. Plusieurs études ont montré qu'une grand proportion (20% au 30%) du mélange frais brûle dans ce mode de combustion ce qui montre l'importance de prendre en compte ce phénomène. - L'estimation de la mass totale enfermée dans la chambre de combustion après la fermeture des soupapes est un phénomène très intéressant qui présente un Challenger pour les chercheurs motoristes. Une estimation plus précise de la mass enfermée dans la chambre de combustion permet d'avoir un meilleur contrôle de l'injection du carburant et une amélioration dans le traitement des polluants.- Le dernier point à traiter dans cette thèse est la commande d'un système d'injection “common rail”. Ce point a pour but de compléter la modélisation de la combustion en ajoutant une thématique liée à l'injection, lequel est un paramètre crucial dans le processus de la combustion. L'objectif d'un système d'injection common rail est de contrôler l'avance de l'injection, la durée et la pression, de façon indépendante dans chaque cylindre, pour avoir un meilleur contrôle de la combustion, en dépendant des conditions d'opération. Cette injection permet de réguler le carburant en quantités très petites, ce qu'aide à réduire la consommation, les émissions polluantes, et aussi à améliorer la performance du moteur.
Author: Nicolas Fruchard Publisher: ISBN: Category : Languages : fr Pages : 200
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CE TRAVAIL PRESENTE UN MODELE D'ALLUMAGE D'UN MILIEU TURBULENT DANS LEQUEL LE CARBURANT ET L'AIR SONT PREALABLEMENT PARFAITEMENT MELANGES. LES CONDITIONS INITIALES RETENUES SONT PROCHES DE CELLES RENCONTREES DANS LES MOTEURS A ALLUMAGE COMMANDE. LE TEMPS CARACTERISTIQUE DE LA TURBULENCE ET LA DUREE DE L'ALLUMAGE AINSI QUE L'ECHELLE DE LA TURBULENCE ET L'ESPACE ENTRE LES ELECTRODES SONT SENSIBLEMENT DU MEME ORDRE DE GRANDEUR. IL Y AURA ALORS DE FORTES INTERACTIONS ENTRE LA TURBULENCE, LA CHIMIE ET L'APPORT D'ENERGIE. ELLES SERONT ETUDIEES PAR UNE APPROCHE BASEE SUR LES FONCTIONS DE DENSITE DE PROBABILITE (PDF). L'EQUATION D'EVOLUTION DE LA PDF DES VARIABLES THERMOCHIMIQUES, CONCENTRATION ET ENTHALPIE, EST RESOLUE PAR UNE METHODE DE MONTE-CARLO. TOUT D'ABORD QUELQUES RAPPELS GENERAUX SUR L'ALLUMAGE ET LA FORMATION DE LA FLAMME, L'AEROTHERMOCHIMIE ET L'APPROCHE FONCTION DE DENSITE DE PROBABILITE SONT EXPOSES. LE MEMOIRE PRESENTE ENSUITE UN MODELE D'ALLUMAGE ET SON COMPORTEMENT VIS-A-VIS DES VARIATIONS DE TURBULENCE, DE CONDITIONS THERMODYNAMIQUES INITIALES ET D'ENERGIE FOURNIE AU MELANGE. UN COUPLAGE DE CE MODELE A UN CODE DE CALCUL UTILISE POUR LES SIMULATIONS DE L'AERODYNAMIQUE INTERNE ET DE LA COMBUSTION DANS LES MOTEURS A ALLUMAGE COMMANDE CONSTITUE UN DES BUTS DE CE TRAVAIL. IL EST DONC EXPOSE, AINSI QU'UNE PREMIERE APPLICATION DANS UNE BOMBE A VOLUME CONSTANT DANS LAQUELLE REGNE UNE TURBULENCE HOMOGENE ET ISOTROPE. LES APPLICATIONS A UN MONOCYLINDRE NECESSITENT TOUT D'ABORD DES DONNEES EXPERIMENTALES COMPLEMENTAIRES, TELLES QUE DES MESURES DE TURBULENCE AU VOISINAGE DE LA BOUGIE ET DES MESURES D'ENERGIE D'ALLUMAGE. UNE FOIS CES MESURES REALISEES, DES CALCULS COMPLETS SUR PLUSIEURS POINTS DE FONCTIONNEMENT DU MOTEUR SONT EXPOSES.
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LA PROPAGATION D'UNE FLAMME PREMELANGEE TURBULENTE DANS UNE CHAMBRE DE COMBUSTION FERMEE EST ETUDIEE PAR L'APPROCHE FONCTION DENSITE DE PROBABILITE (PDF) DES VARIABLES FRACTION ET ENTHALPIE MASSIQUES. L'ALLUMAGE ET L'INTERACTION FLAMME-PAROI PEUVENT AINSI ETRE REPRESENTES EGALEMENT. LA RESOLUTION DE L'EQUATION POUR LA PDF JOINTE EST EFFECTUEE PAR UNE METHODE MONTE CARLO LAGRANGIENNE COUPLEE A UN CODE DE CALCUL EULERIEN. DEUX MODELES DE DIFFUSION TURBULENTE SONT PRESENTES ET ETUDIES : LE PREMIER SUPPOSE CLASSIQUEMENT UNE DIFFUSION DE TYPE GRADIENT ALORS QUE LE SECOND REPOSE SUR LA DISPERSION TURBULENTE LAGRANGIENNE DE PARTICULES. UNE ADAPTATION DE CE DERNIER, NECESSAIRE POUR LES ECOULEMENTS REACTIFS EST PROPOSEE. UN NOUVEAU MODELE DE MELANGE TENANT COMPTE DE LA PRESENCE EVENTUELLE DE FLAMMELETTES EST EGALEMENT PROPOSE. LE TEMPS CARACTERISTIQUE DE MELANGE EST CALCULE A PARTIR DE LA DISSIPATION SCALAIRE DONT L'EQUATION DE TRANSPORT ETABLIE DANS LE CADRE DE FLAMMELETTES EST GENERALISEE POUR DES FLAMMES PLUS EPAISSES. TROIS PROCESSUS DE TRANSFERTS THERMIQUES SONT PROPOSES AFIN DE DETERMINER LES FLUX DE CHALEUR PARIETAUX. LES DIVERS PROCESSUS STOCHASTIQUES SONT ETUDIES TOUT D'ABORD DANS UN CAS SIMPLE MONODIMENSIONNEL. DES CALCULS SONT MENES ENSUITE DANS UNE CONFIGURATION REELLE BIDIMENSIONNELLE. UNE DERNIERE ETUDE DEMONTRE LA FAISABILITE DE L'APPROCHE PDF DANS LES MOTEURS (A ALLUMAGE COMMANDE).
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LA PREMIERE PARTIE DE CE TRAVAIL PRESENTE UN NOUVEAU MODELE PERMETTANT DE DECRIRE LA PROPAGATION DE FLAMMES TURBULENTES PREMELANGEES. L'APPROCHE RETENUE CONSISTE A CALCULER LE TAUX DE DISSIPATION DES FLUCTUATIONS D'UN SCALAIRE (CONCENTRATION, TEMPERATURE) PAR UNE EQUATION DE TRANSPORT. ON MONTRE QUE LES EFFETS D'ETIREMENT A PETITE ECHELLE ET DE COURBURE LOCALE DU CHAMP DE CONCENTRATION SONT DES PHENOMENES PREDOMINANTS. DANS LE REGIME DES FLAMMELETTES, LE MODELE PERMET D'ABOUTIR A UNE EQUATION DE TRANSPORT POUR LA DENSITE DE SURFACE DE FLAMME ET A UNE NOUVELLE FORMULATION DU MODELE EDDY BREAK-UP. UNE REVISION DE LA MODELISATION DU FLUX DE DIFFUSION TURBULENTE POUR LE SCALAIRE A EGALEMENT ETE PROPOSEE. LA DONNEE D'UNE FONCTION DENSITE DE PROBABILITE (PDF) AU MOMENT DE L'ALLUMAGE NOUS A PERMIS DE REPRESENTER DE MANIERE SATISFAISANTE L'INITIATION DE LA COMBUSTION. LES COMPARAISONS AUX RESULTATS EXPERIMENTAUX ISSUS DE CONFIGURATIONS DIFFERENTES ONT PERMIS DE VERIFIER LA REPONSE DU MODELE AUX CARACTERISTIQUES DE LA TURBULENCE ET A LA COMPOSITION DU MELANGE. ON EN DEDUIT LES RENSEIGNEMENTS CONCERNANT L'EVOLUTION DU NOMBRE DE SCHMIDT AINSI QUE L'ECHELLE DE TEMPS CARACTERISTIQUE DES FLUCTUATIONS DU SCALAIRE AU SEIN DE LA FLAMME. LA SECONDE PARTIE CONCERNE L'ALLUMAGE DANS LES MOTEURS A ESSENCE ET UNE APPLICATION DU MODELE A UN CAS CONCRET. L'INITIATION PROVOQUEE PAR UNE BOUGIE CONVENTIONNELLE SOUMISE A UN CHAMP AERODYNAMIQUE DONNE A ETE SIMULEE NUMERIQUEMENT. CES CALCULS AINSI QUE DES MESURES EXPERIMENTALES ONT MONTRE DES POSITIONS OPTIMALES DE LA BOUGIE PAR RAPPORT A L'ECOULEMENT PERMETTANT UN MEILLEUR DEBUT DE COMBUSTION EN MELANGE PAUVRE
Author: El Houssin Affad Publisher: ISBN: Category : Languages : fr Pages : 214
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LES TRAVAUX DE MODELISATION DE LA COMBUSTION ET DES PHENOMENES CHIMIQUES DANS LES MOTEURS A COMBUSTION INTERNE REVETENT UNE GRANDE IMPORTANCE POUR LA PREDICTION DES POLLUANTS CHIMIQUES (CO, NO#X) EMIS PAR LES MOTEURS A ALLUMAGE COMMANDE. DANS LES CODES DE CALCUL COMPLET EXISTANTS POUR PREDIRE L'AERODYNAMIQUE INTERNE DES CHAMBRES DE COMBUSTION (KIVA, SPEED,) LA CHIMIE EST TRAITEE DE FACON TRES SIMPLIFIEE ET DONNE DES PREDICTIONS TRES APPROXIMATIVES DES ESPECES PRINCIPALES. LE BUT DE CETTE THESE ETAIT DE: CHOISIR APRES UNE SERIE DE VALIDATIONS, UN SCHEMA CINETIQUE REDUIT FIABLE DANS LE DOMAINE DE FONCTIONNEMENT D'UN MOTEUR A ALLUMAGE COMMANDE (HAUTE PRESSION ET TEMPERATURE). REALISER UN COUPLAGE ENTRE UN MODELE UTILISANT DES PDF PRESUMEES ET UN MODELE EULERIEN-LAGRANGIEN POUR LA MODELISATION DE LA COMBUSTION TURBULENTE, PUIS IMPLANTER CE MODELE DANS LE CODE KIVA II. DES COMPARAISONS DES RESULTATS NUMERIQUES AVEC DES RESULTATS EXPERIMENTAUX CONCERNANT LA PROPAGATION D'UNE FLAMME EN MILIEU CONFINE MACHINE A COMPRESSION RAPIDE (EXPERIENCE DE L'ARC-MOTEUR) ET LES EMISSIONS DES POLLUANTS EMIS PAR UN MOTEUR A ALLUMAGE COMMANDE ONT ETE SATISFAISANTES
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Le travail de cette thèse a pour objet la modélisation du moteur à allumage par compression pour le contrôle et le diagnostic. Le moteur Diesel est le moteur à combustion interne le plus performant et l'un des plus propres grâce aux actionneurs modernes. Cependant, les normes anti-pollutions sont de plus en plus strictes et, aujourd’hui, la réduction des émissions nocives dépend en partie des stratégies de commande des actionneurs. C’est pourquoi, les modèles sont devenus indispensables à chaque étape du développement du contrôle moteur : synthèse des algorithmes de commande, simulation et validation. Le système considéré est un moteur Diesel six cylindres à injection directe équipé d’un turbocompresseur. Le modèle développé repose sur des lois physiques pour les cylindres, les collecteurs, le turbocompresseur et le vilebrequin. Des lois empiriques ont été choisies pour la modélisation de la combustion et des transferts thermiques afin de réduire le temps de simulation. Le modèle, programmé en langage C dans l’environnement Matlab-Simulink, est capable de prédire l’évolution des variables utiles au contrôle moteur au degré vilebrequin. Les résultats sont conformes à ceux obtenus à l’aide d’un code de calcul industriel et ils sont représentatifs des mesures réalisées sur le banc moteur expérimental. Le modèle a ensuite été implanté sur un calculateur puissant nous permettant de disposer d’un simulateur adapté aux applications temps réel. Une partie de cette étude a aussi été consacrée à la modélisation du processus de combustion à l’aide d’un modèle de représentation non linéaire : le modèle NARMAX. L’objectif est de construite un modèle capable de prédire l’évolution de la pression cylindre en exploitant d’autres mesures disponibles sur un moteur. Les coefficients du modèle NARMAX ont été identifiés directement à partir des mesures des entrées et des sorties du système. Ce type de modèle présente l’avantage d’être moins coûteux en terme de temps de calcul par rapport aux modèles physiques. Les résultats sont encourageants et montrent que l’utilisation du régime instantané comme variable d’entrée principale du modèle permet de reproduire l’allure de la pression cylindre dans le cas d’une combustion précoce.
Author: Leslie Kaprielian
Author: Leslie Kaprielian
Author: Vincent Talon
Author: Sokratis Demesoukas
Author: Maria Adelina Rivas Caicedo
Author: Nicolas Fruchard
Author: Fabienne Galzin
Author: Groupement scientifique moteurs. Colloque
Author: Thierry Mantel
Author: El Houssin Affad
Author: Olivier Grondin