Modeling of combustion process in Dual Fuel applications

Le durcissement des restrictions en termes d’émissions polluantes et de gaz à effet de serre impose depuis peu le développement de technologies alternatives aux traditionnels moteurs Diesel, et à allumage commandé. En effet, l’optimisation des technologies existantes (Diesel/allumage commandé) ne suffit plus à répondre aux normes toujours plus sévères. Des technologies comme l’allumage par pré-chambre, SACI/SCCI (Spark Assisted/Controlled Compression Ignition), ou encore RCCI (Reactivity Controlled Compression Ignition) également nommé Dual-Fuel, font partie des axes de développements actuels. Cette thèse se concentre sur la technologie Dual-Fuel, et vise à proposer une modélisation des phénomènes rencontrés dans ce type de moteur. Le moteur Dual-Fuel repose sur l’allumage d’une charge pré-mélangée pauvre à fort indice d’octane (généralement un mélange air/méthane), par l’injection d’un spray pilote à fort indice de cétane (généralement un carburant Diesel). Ce dispositif permet d’atteindre des rendements comparables au moteur Diesel, tout en diminuant fortement les émissions polluantes de suies, d’oxydes d’azote (NOx). Toutefois, la combustion Dual-Fuel implique une interaction complexe entre des régimes d’auto-inflammation (AI) et de propagation de flamme pré-mélangée, en pratique difficiles à identifier bien que répondant à des mécanismes physiques très différents. La modélisation de ces interactions, et notamment la transition AI→déflagration réclame donc une compréhension approfondie de ces phénomènes. Du point de vue de la recherche, la simulation numérique est un outil donnant accès à un grand nombre de données utiles à la compréhension de phénomènes complexes. Du point de vue industriel, la simulation numérique est un outil aujourd’hui largement employé pour la conception d’applications réelles. Dans ce travail, la simulation numérique est utilisée pour l’étude fondamentale de la transition AI→déflagration, en vue de fournir une modélisation LES prédictive et industrialisable de ce phénomène en configuration moteur Dual-Fuel. Ce manuscrit se découpe en quatre axes principaux : I) Le fonctionnement de la technologie Dual-Fuel, ses avantages, ses inconvénients, les difficultés qu’elle implique sont présentés. S’en suit un état de l’art des outils permettant l’identification des régimes d’AI et de déflagration en conditions expérimentales et numériques, ainsi que des outils de modélisation existants et potentiellement applicables dans le cadre de phénomènes de transition AI→déflagration. II) Une étude fondamentale de la transition AI→déflagration en configurations simplifiées 1D mono/bicarburant est réalisée, une méthodologie permettant de déterminer le régime de combustion dominant est proposée, et des critères physiques de transition sont identifiés. La vitesse de déplacement du front de réaction ainsi que son épaisseur apparaissent comme des grandeurs essentielles à l’identification des régimes d’AI et de déflagration. III) Deux approches de modélisation de la transition AI→déflagration, s’appuyant sur des critères de transition préalablement identifiés dans l’étude fondamentale 1D, sont testées sur des conditions 1D similaires. L’apport d’une modélisation reposant sur une résolution directe de la chimie est notamment démontré dans certaines conditions de mélange stratifié. IV) La prédictivité des modèles de transition AI→déflagration développés dans ce travail est évaluée sur une configuration LES 3D représentative d’un banc expérimental Dual-Fuel présent à l’ETH Zurich. La modélisation développée est également testée sur un cas moteur fictif Dual-Fuel, et démontre le caractère industrialisable de l’approche. Des résultats offrant des perspectives encourageantes en contexte LES sont mis en évidence, et des améliorations sont proposées.Increaslingly stringent regulations in terms of pollutant emissions and greehouse effect gases require development of alternatives technologies to conventional Diesel and spark-ignition engines. Indeed, optimisation of current technologies (Diesel/spark-ignition) no longer suffices to satisfy more restrictive regulations. Recently developed technologies such as SACI/SCCI (Spark Assisted/Controlled Compression Ignition), or RCCI (Reactivity Controlled Compression Ignition) also refered as Dual-Fuel are seen as promising. This PhD thesis is focused on Dual-Fuel technology and aims at modelling specific combustion phenomena encountered in this type of technology. Dual-Fuel engine relies on the ignition of a homogeneous, lean, and highly knock-resistant (usually air/methane) main charge, by injecting a highly reactive pilot spray (usually Diesel fuel). This strategy shows capable to reach high efficiencies comparable with conventional Diesel engines, while strongly mitigating associated pollutant emissions (especially NOx and soots). However, Dual-Fuel combustion involves both auto-ignition (AI) and premixed flame propagation (deflagration) regimes, which are in practice difficult to identify although driven by very different phenomena. Thus, modelling regimes interactions and more specifically AI → deflagration transition requires a strong understanding of this specific phenomena, but also a regime identification methodology. From a research standpoint, numerical simulation provides access to a large amount of data allowing the understanding and modelling of complex phenomena. From an industrial standpoint, numerical simulation is widely used to design concrete technologies. In this PhD work, numerical simulation is used for a fundamental study of AI → deflagration transition, in the objective of providing a predictive and industrially viable modelling of this phenomenon in enginerelevant conditions. This manuscript is divided in four main parts : I) Working principle of Dual-Fuel technology, advantages, drawbacks, and challenges are presented. Then, a state of the art of existing tools developed for AI and deflagration regime identification in both experimental and numerical context is detailed. Modelling approaches possibly applicable to AI →deflagration transition are also exposed. II) A fundamental study of AI → deflagration transition in 1D simplified single/dual-fuel configurations is conducted. Combustion regime (AI/deflagration) identification methodology is proposed, and transition criteria are identified. Displacement velocity and thickness of the reaction front appear as key parameters. III) Two modelling approaches for AI → deflagration transition, based on criteria preliminarily identified in fundamental 1D study, are tested on similar 1D conditions. The advantage of a modelling involving a direct resolution of chemistry is evidenced, specifically in highly stratified conditions. IV) The predictivity of AI → deflagration modelling developed in this work is evaluated on a 3D LES configuration, representative of an experimental academic test bench, present at ETH Zurich. The developed modelling is also tested on a fictive engine case, and showed industrially viable. Results display encouraging perspectives in engine LES context, and axis of improvement are proposed