La législation sur les émissions de polluants des Moteurs à Combustion Interne (ICEs) est de plus en plus contraignante et représente un gros défi pour les constructeurs automobiles. De nouvelles stratégies de combustion telles que la Combustion à Allumage par Compression Homogène (HCCI) et l’exploitation de stratégies d’injections multiples sont des voies prometteuses qui permettent de respecter les normes sur les émissions de NOx et de suies, du fait que la combustion a lieu dans un mélange très dilué et par conséquent à basse température. Ces aspects demandent la création d’outils numériques adaptés à ces nouveaux défis. Cette thèse présente le développement d’un nouveau modèle 0D de combustion Diesel HCCI : le dual Combustion Model (dual - CM). Le modèle dual-CM a été basé sur l’approche PCM-FPI utilisée en Mécanique des Fluides Numérique (CFD) 3D, qui permet de prédire les caractéristiques de l’auto-allumage et du dégagement de chaleur de tous les modes de combustion Diesel. Afin d’adapter l’approche PCM-FPI à un formalisme 0D, il est fondamental de décrire précisément le mélange à l’intérieur du cylindre. Par consequent, des modèles d’évaporation du carburant liquide, de formation de la zone de mélange et de variance de la fraction de mélange, qui permettent d’avoir une description détaillée des proprietés thermochimiques locales du mélange y compris pour des configurations adoptant des stratégies d’injections multiples, sont proposés. Dans une première phase, les résultats du modèle ont été comparés aux résultats du modèle 3D. Ensuite, le modèle dual-CM a été validé sur une grande base de données expérimentales; compte tenu du bon accord avec l’expérience et du temps de calcul réduit, l’approche présentée s’est montrée prometteuse pour des applications de type simulation système. Pour conclure, les limites des hypothèses utilisées dans dual-CM ont été investiguées et des perspectives pour les dévélopements futurs ont été proposées. / More and more stringent restrictions concerning the pollutant emissions of Internal Combustion Engines (ICEs) constitute a major challenge for the automotive industry. New combustion strategies such as Homogeneous Charge Compression Ignition (HCCI) and the implementation of complex injection strategies are promising solutions for achieving the imposed emission standards as they permit low NOx and soot emissions, via lean and highly diluted combustions, thus assuring low combustion temperatures. This requires the creation of numerical tools adapted to these new challenges. This Ph.D presents the development of a new 0D Diesel HCCI combustion model : the dual Combustion Model (dual−CM ). The dual-CM is based on the PCM-FPI approach used in 3D CFD, which allows to predict the characteristics of Auto-Ignition and Heat Release for all Diesel combustion modes. In order to adapt the PCM-FPI approach to a 0D formalism, a good description of the in-cylinder mixture is fundamental. Consequently, adapted models for liquid fuel evaporation, mixing zone formation and mixture fraction variance, which allow to have a detailed description of the local thermochemical properties of the mixture even in configurations adopting multiple injection strategies, are proposed. The results of the 0D model are compared in an initial step to the 3D CFD results. Then, the dual-CM is validated against a large experimental database; considering the good agreement with the experiments and low CPU costs, the presented approach is shown to be promising for global engine system simulations. Finally, the limits of the hypotheses made in the dual-CM are investigated and perspectives for future developments are proposed.

Das Kraftstoffdampfmanagement in PKW dient der Reduzierung von Kraftstoffdampfemissionen und umfasst deren Entstehung im Tank, sowie Verarbeitung im Adsorber. Im Hinblick auf eine effektive Emissionsreduzierung erfolgt in dieser Arbeit die Entwicklung eines multiphysikalischen Berechnungsmodells, das die Erschließung der Kraftstoffdampfmenge im Tank sowie der Adsorbercharakteristik erlaubt. Gleichzeitig wird eine Methode zur thermischen Adsorberoptimierung durch Phasenwechselmaterialien (PCM) vorgestellt. Letztere nutzen für ihren fest/flüssig-Phasenübergang im Adsorber umgesetzte Prozesswärmen und können damit dessen Arbeitskapazität erhöhen. Die Modellierung der tankinternen Kraftstoffdampfproduktion erfolgt basierend auf der Berechnung des Dampf-Flüssigkeit-Gleichgewichtes von Mehrstoffsystemen mit realen Fluidmodellen. Zudem wird eine thermodynamische Datenbank erstellt, die es erlaubt, reale ottomotorische Kraftstoffgemische durch Modellkraftstoffsysteme mit deutlich reduzierter Komponentenanzahl abzubilden. Es wird ein detailliertes nicht-isothermes 2D-rotationssymmetrisches Mehrkammeradsorbermodell für kompressible Fluidgemische entwickelt, das die temperaturabhängige Polyschichtsorption in porösen Festbetten wiedergibt und direkt über transiente Randbedingungen mit der instationären Kraftstoffverdampfung im Tank gekoppelt ist. Darin berücksichtigt sind unter anderem anisotrope Wärme- und Stofftransportprozesse innerhalb der Festbetten sowie Randeffekte infolge einer nicht-linearen Porositätsverteilung. Zwischen den Sorptionskammern wird eine dünnwandige Aluminium-Trennwand aus makroverkapseltem PCM integriert, die zur Temperierung der umliegenden Festbetten dient. Hierzu wird auf Basis einer diskontinuierlichen Form der Enthalpy-Porosity-Methode der nicht-isotherme Phasenwechsel im Latentwärmespeicher unter Berücksichtigung der konvektiven Schmelzbewegung modelliert und in Ort und Zeit mit dem Adsorbermodell gekoppelt. Das daraus resultierende partielle Differenzialgleichungssystem wird örtlich über eine Finite-Elemente-Methode und bzgl. der Zeit in Form eines impliziten Mehrschrittverfahrens diskretisiert. Die entsprechende numerische Lösung erfolgt mit Hilfe eines automatisch gedämpften Newton-Verfahrens. Anhand des Adsorbermodells lässt sich der Einfluss von Randeffekten auf das Ad- und Desorptionsverhalten erschließen, die eine Abhängigkeit von der Festbettgeometrie und des temperaturabhängigen Beladungszustandes zeigen. Diese Sorptionsprozesse werden durch experimentelle Versuchs- reihen an einem hierzu entwickelten Adsorber-Prototyp validiert. Als Ergebnis der numerischen Simulation anwendungsrelevanter Prüfzyklen zur Adsorber-Typisierung resultiert durch den Einsatz von PCM eine Effizienzsteigerung in der Arbeitskapazität des Adsorbers von ca. 14 − 19 %. Zudem kann gezeigt werden, dass auch in Betriebszuständen ohne latenten Phasenwechsel im PCM infolge der konvektiven Bewegung der Schmelze die Sorptionsfähigkeit teilweise um mehr als 11 % ansteigt. Gleichzeitig ist im Vergleich zu der einfachen Vergrößerung des chemischen Sorptionsspeichers der Effekt einer Festbetttemperierung durch PCM partiell bis zu 10 % höher. Durch das einfache Substituieren der klassischen Kunststofftrennwände zwischen den Festbetten durch dünnwandige PCM-Kammern wird die Kraftstoffdampfnachbehandlung ohne relevante Gewichts- und Volumenzunahme des Adsorbers bedeutend verbessert.

Das Kraftstoffdampfmanagement in PKW dient der Reduzierung von Kraftstoffdampfemissionen und umfasst deren Entstehung im Tank, sowie Verarbeitung im Adsorber. Im Hinblick auf eine effektive Emissionsreduzierung erfolgt in dieser Arbeit die Entwicklung eines multiphysikalischen Berechnungsmodells, das die Erschließung der Kraftstoffdampfmenge im Tank sowie der Adsorbercharakteristik erlaubt. Gleichzeitig wird eine Methode zur thermischen Adsorberoptimierung durch Phasenwechselmaterialien (PCM) vorgestellt. Letztere nutzen für ihren fest/flüssig-Phasenübergang im Adsorber umgesetzte Prozesswärmen und können damit dessen Arbeitskapazität erhöhen. Die Modellierung der tankinternen Kraftstoffdampfproduktion erfolgt basierend auf der Berechnung des Dampf-Flüssigkeit-Gleichgewichtes von Mehrstoffsystemen mit realen Fluidmodellen. Zudem wird eine thermodynamische Datenbank erstellt, die es erlaubt, reale ottomotorische Kraftstoffgemische durch Modellkraftstoffsysteme mit deutlich reduzierter Komponentenanzahl abzubilden. Es wird ein detailliertes nicht-isothermes 2D-rotationssymmetrisches Mehrkammeradsorbermodell für kompressible Fluidgemische entwickelt, das die temperaturabhängige Polyschichtsorption in porösen Festbetten wiedergibt und direkt über transiente Randbedingungen mit der instationären Kraftstoffverdampfung im Tank gekoppelt ist. Darin berücksichtigt sind unter anderem anisotrope Wärme- und Stofftransportprozesse innerhalb der Festbetten sowie Randeffekte infolge einer nicht-linearen Porositätsverteilung. Zwischen den Sorptionskammern wird eine dünnwandige Aluminium-Trennwand aus makroverkapseltem PCM integriert, die zur Temperierung der umliegenden Festbetten dient. Hierzu wird auf Basis einer diskontinuierlichen Form der Enthalpy-Porosity-Methode der nicht-isotherme Phasenwechsel im Latentwärmespeicher unter Berücksichtigung der konvektiven Schmelzbewegung modelliert und in Ort und Zeit mit dem Adsorbermodell gekoppelt. Das daraus resultierende partielle Differenzialgleichungssystem wird örtlich über eine Finite-Elemente-Methode und bzgl. der Zeit in Form eines impliziten Mehrschrittverfahrens diskretisiert. Die entsprechende numerische Lösung erfolgt mit Hilfe eines automatisch gedämpften Newton-Verfahrens. Anhand des Adsorbermodells lässt sich der Einfluss von Randeffekten auf das Ad- und Desorptionsverhalten erschließen, die eine Abhängigkeit von der Festbettgeometrie und des temperaturabhängigen Beladungszustandes zeigen. Diese Sorptionsprozesse werden durch experimentelle Versuchs- reihen an einem hierzu entwickelten Adsorber-Prototyp validiert. Als Ergebnis der numerischen Simulation anwendungsrelevanter Prüfzyklen zur Adsorber-Typisierung resultiert durch den Einsatz von PCM eine Effizienzsteigerung in der Arbeitskapazität des Adsorbers von ca. 14 − 19 %. Zudem kann gezeigt werden, dass auch in Betriebszuständen ohne latenten Phasenwechsel im PCM infolge der konvektiven Bewegung der Schmelze die Sorptionsfähigkeit teilweise um mehr als 11 % ansteigt. Gleichzeitig ist im Vergleich zu der einfachen Vergrößerung des chemischen Sorptionsspeichers der Effekt einer Festbetttemperierung durch PCM partiell bis zu 10 % höher. Durch das einfache Substituieren der klassischen Kunststofftrennwände zwischen den Festbetten durch dünnwandige PCM-Kammern wird die Kraftstoffdampfnachbehandlung ohne relevante Gewichts- und Volumenzunahme des Adsorbers bedeutend verbessert.

Combustion with a high surface area continuous solid immersed within the flame, referred to as combustion in porous media, is an innovative approach to combustion as the solid within the flame acts as an internal regenerator distributing heat from the combustion byproducts to the upstream reactants. By including the solid structure, radiative energy extraction becomes viable, while the solid enables a vast extension of flammability limits compared to conventional flames, while offering dramatically reduced emissions of NOx and CO, and dramatically increased burning velocities. Efforts documented within are used for the development of a streamlined set of design principles, and characterization of the flame's behavior when operating under such conditions, to aid in the development of future combustors for lean burn applications in open flow systems. Principles described herein were developed from a combination of experimental work and reactor network modeling using CHEMKIN-PRO. Experimental work consisted of a parametric analysis of operating conditions pertaining to reactant flow, combustion chamber geometric considerations and the viability of liquid fuel applications. Experimental behavior observed, when utilizing gaseous fuels, was then used to validate model outputs through comparing thermal outputs of both systems. Specific details pertaining to a streamlined chemical mechanism to be used in simulations, included within the appendix, and characterization of surface area of the porous solid are also discussed. Beyond modeling the experimental system, considerations are also undertaken to examine the applicability of exhaust gas recirculation and staged combustion as a means of controlling the thermal and environmental output of porous combustion systems. This work was supported by ACS PRF "51768-ND10 and NSF IIP 1343454.