Large-Eddy Simulation of abnormal combustions in spark ignition engines

Le moteur à allumage commandé fortement downsizé est une des solutions les plus prometteuses utilisée par les constructeurs automobiles pour augmenter le rendement et réduire les émissions de CO2. Cependant, les conditions thermodynamiques plus sévères rencontrées dans ces moteurs favorisent l’apparition de combustions anormales (cliquetis et rumble) qui sont difficiles à analyser expérimentalement vu les risques encourus par le moteur. La méthode Reynolds Averaged Navier-Stokes (RANS) s’est imposée depuis plusieurs années pour l’étude des moteurs à piston dans l’industrie, mais elle n’est pas la plus appropriée pour étudier des phénomènes locaux et sporadiques comme les combustions anormales qui n’affectent pas le cycle moyen simulé en RANS. Grâce à l’utilisation d’un code compressible LES et au développement d’une version améliorée des modèles ECFM-LES (Extended Coherent Flame Model) et TKI (Tabulated Kinetics of Ignition) qui permet un découplage total entre les taux de réaction liés à la propagation de la flamme et à l’auto-inflammation, ces travaux mettent en évidence pour la première fois la capacité de la LES à décrire le phénomène de cliquetis dans une configuration réaliste d’un moteur à allumage commandé. Contrairement aux études précédentes [S. Fontanesi and S. Paltrinieri and A. D’Adamo and G. Cantore and C. Rutland, SAE Int. J. Fuels Lubr., 2013-01-1082, pp. 98-118][G. Lecocq, S. Richard, J.-B. Michel, L. Vervisch, Proc. Combust. Inst. 33 (2011) 3105-3114], une étude quantitative du cliquetis est réalisée grâce à des post-traitements spécifiques et similaires pour les résultats expérimentaux et numériques. La LES est capable de prédire la variabilité de la pression cylindre, la fréquence mais également l’angle moyen d’apparition de l’auto-inflammation sur un balayage d’avance à l’allumage. Une analyse 3D démontre également que le cliquetis se déclenche à différents endroits, mais principalement dans la moitié de la chambre sous les soupapes d’échappement. De plus, l’intensité du cliquetis est proportionnelle à la masse de gaz frais brûlée en auto-inflammation pour les faibles intensités, alors qu’une croissance beaucoup plus forte est observée pour les intensités les plus élevées. Ceci suggère que des facteurs supplémentaires interviennent comme la localisation du cliquetis ou les interactions entre l’acoustique interne et l’auto-inflammation. L’utilisation d’un code LES compressible permet une visualisation directe de ces interactions mettant en évidence que les faibles intensités sont liées à des auto-inflammations locales sans couplage alors qu’une transition de la déflagration vers la détonation est possible en moteur automobile et correspond aux intensités les plus fortes.Highly boosted spark ignition engines are more and more attractive for car manufacturers in terms of efficiency and CO2 emissions reduction. However, thermodynamic conditions encountered in these engines promote the occurrence of abnormal combustions like knock or super-knock, which are experimentally difficult to analyze due to the risks of engine damages. The Reynolds Averaged Navier-Stokes (RANS) method mainly used in industry for piston engines is not the most appropriate as knock does not always affect the mean cycle captured by RANS. Using an accurate LES compressible code and improved versions of ECFM-LES (Extended Coherent Flame Model) and TKI (Tabulated Kinetics of Ignition) models allowing a full uncoupling of flame propagation and auto-ignition reaction rates, this work demonstrates for the first time that LES is able to describe quantitatively knocking combustion in a realistic downsized SI engine configuration. Contrary to previous studies [S. Fontanesi and S. Paltrinieri and A. D’Adamo and G. Cantore and C. Rutland, SAE Int. J. Fuels Lubr., 2013-01-1082, pp. 98-118][G. Lecocq, S. Richard, J.-B. Michel, L. Vervisch, Proc. Combust. Inst. 33 (2011) 3105-3114], a quantified knock analysis is conducted based on a specific post-processing of both numerical and experimental data. LES is able to predict the in-cylinder pressure variability, the knock occurrence frequency and the mean knock onset crank angle for several spark timings. A 3D analysis also demonstrates that knock occurs at random locations, mainly at the exhaust valves side. Knock intensity is found proportional to the fresh gases mass burned by auto-ignition at low knock intensities, while an exponential increase at the highest intensities suggests the influence of additional factors like the knock location in the cylinder or complex behavior of knocking combustion. A direct LES study of acoustic and autoignition interactions is then achieved. The LES visualizations allows showing that low knock intensities are only linked to local autoignition, but a deflagration to detonation transition occurs in such engine operating conditions and is responsible for the highest knock intensities