Numerical investigation of pre-chamber ignition in internal combustion engines
Institution:
Toulouse, INPTDisciplines:
Directors:
Abstract EN:
Homogeneous lean combustion is a great opportunity to reduce Internal Combustion Engine (ICE) emissions (both greenhouse gases and pollutants) if combined with responsible use. Unfortunately, burning lean mixtures and meeting the demands of ICEs is complicated by low reactions rates, extinction, instabilities and mild heat release. There is therefore a need for breakthrough technologies thwarting the adverse effects of lean combustion to leverage lean-burn strategies in ICEs. The Pre-Chamber Ignition (PCI) concept has demonstrated its capabilities to induce very high burning rates enabling ultra-lean premixed mixtures to be burnt efficiently. This is achieved through the creation of multiple highly turbulent jets of hot burnt gases issuing into the main chamber of the engine. However, the optimization of the size of the pre-chamber orifices is something very complex that is not yet clearly understood. Small holes must be used in order to generate enough turbulence in the main chamber, but these small holes can also inhibit the ignition of the main chamber because of too high jet cooling and/or speed. Therein lies the challenge of this research work: how to design the holes connecting pre- and main chambers to maximize burning rates without exceeding the ignition limit? To answer this question, multiple numerical tools were used: kinetically detailed Direct Numerical Simulation (DNS), Large Eddy Simulation (LES) and zero-dimensional modelling. DNS was used to build precise knowledge on jet ignition. Especially, it helped to understand how the jet injection speed and temperature govern ignition and revealed specific incipient flame structures. It also allowed to build models to predict the outcome of an ignition sequence. LES was used to study the whole PCI concept in a real engine. It allowed to analyse the flow entering and leaving the pre-chamber, to measure the cooling and quenching effects in the connecting ducts, and to analyse the ignition and combustion processes for both normal and abnormal combustion cases. Finally, a zero-dimensional model has been developed based on a multi-zone approach. It integrates key submodels to account for thermal effects in the ducts and to predict the outcome of the jet ignition attempts in the main chamber. Therefore, it provides a crucial tool to answer the research question by evaluating the result of multiple PCI designs in terms of main chamber ignition at a low computational cost.
Abstract FR:
La combustion d'un mélange pauvre et homogène est une opportunité de réduire les émissions des moteurs à combustion interne (à la fois en termes de gaz à effet de serre et de polluants) si elle est accompagnée d'une utilisation responsable. Mais brûler un mélange pauvre tout en assurant le fonctionnement normal d’un moteur est complexe car il en résulte des faibles taux de réactions et des phénomènes d’extinction ou d’instabilités. Des solutions doivent alors être développées afin de contrecarrer les effets néfastes de la combustion pauvre et en tirer profit. Le concept d’allumage par préchambre, qui génère de multiples jets turbulents composés de gaz brûlés à haute température afin d'allumer la chambre principale, a démontré qu’il était capable d’induire une combustion rapide permettant de brûler efficacement des prémélanges pauvres. Cependant, l’optimisation de la taille des orifices liants la préchambre à la chambre principale est délicate. De petits trous doivent être utilisés afin de générer suffisamment de turbulence dans la chambre principale, mais ils peuvent également empêcher l’allumage en raison d’un refroidissement trop important et/ou d’une vitesse de jet trop élevée. D’où l’enjeu de ce travail : comment concevoir les trous de connexion de sorte à maximiser la vitesse de combustion sans dépasser la limite d’allumage ? Pour répondre à cette question, plusieurs outils numériques ont été utilisés, allant de simulations tridimensionnelles d’écoulements réactifs de type simulation directe (DNS) et simulation des grandes échelles (LES) à de plus simples modèles réduits. La DNS a été utilisée afin d’acquérir des connaissances précises sur l’allumage par jet chaud. Elle a permis de comprendre l’influence de la vitesse d’injection et de la température de jet sur l’allumage et a révélé des structures de flamme spécifiques. Elle a également permis de bâtir des modèles pour prédire la réussite ou l'échec d'un allumage par jet chaud. La LES a été utilisée pour étudier dans son ensemble le concept d’allumage par préchambre dans un moteur. Elle a permis de caractériser l’écoulement au travers des conduits de connexion, de mesurer les effets de refroidissement et d’extinction dans ces conduits et d’analyser les mécanismes d’allumage et de combustion qui ont lieu pour des cas de combustion normale et anormale. Enfin, un modèle moteur zérodimensionnel a été développé, intégrant des sous-modèles essentiels afin de tenir compte des effets thermiques dans les conduits et de prédire l'allumage de la chambre principale. Il fournit un outil efficace afin de répondre aux besoins de dimensionnement en permettant l’évaluation du fonctionnement de plusieurs designs à un faible coût de calcul.