Development and application of a tabulated chemistry model for knock prediction in spark-ignition engines

The present thesis work deals with the development and application, in the context of a 0D-1D engine simulation environment, of a tabulated chemistry model for knock prediction in SI engines. The approach aims to offer a description of the autoignition process referring to detailed kinetic schemes, but with a remarkable reduction of CPU time required, through the preventive storage and retrieval of information. For what concerns the table generation procedure, a TKI approach with constant pressure homogenous reactor assumption has been selected. The stored information include ignition delay times, reaction rates, real and virtual species. An example of generated table has been subjected to a validation procedure. The cited analysis has demonstrated that it is possible to reconstruct the evolution of a homogeneous constant pressure ignition problem starting from the information previously stored in the table. Looking at the knock prediction model implementation it is worth to point out that this task has required the introduction of significant modifications in Gasdyn, the adopted engine simulation code. The mentioned model coupled with the TKI tabulation method has been applied to a real engine simulation process. Different analysis have been performed in this context. The spark advance sweep ones have demonstrated that the approach is able to capture the knock onset for a simulated operating condition. Moreover, the capability of the approach in predicting knocking in-cylinder pressure profiles has been tested. It has been observed that knock induced features are shown on predicted in-cylinder pressure profiles. Finally the knock prediction model application has been integrated with the adoption of a cycle-by-cycle variability model. The obtained outputs have shown that the conceived approach is able to follow the cyclic variations associated to engine operation. The simulations performed has proved that the CPU time requirement is comparable with respect to alternative simpler approaches and, as a consequence, remarkably lower with respect of direct integration of detailed chemistry schemes. The present technique has shown the potential to become an effective and efficient methodology to support and drive the engine development, both in research and industrial fields.

Questo lavoro di tesi è dedicato allo sviluppo e all’applicazione, in ambiente 0D-1D di simulazione di motori a combustione interna, di un modello di cinetica tabulata per la previsione della detonazione nei motori ad accensione comandata. L’approccio mira ad offrire una descrizione del processo di autoaccensione facendo riferimento a schemi cinetici dettagliati, ma con una notevole riduzione del tempo di calcolo richiesto, attraverso la preventiva tabulazione delle informazioni e il relativo recupero. Per la procedura di generazione della tabella, è stato scelto un approccio TKI con ipotesi di reattore omogeneo a pressione costante. Le informazioni tabulate includono i tempi di ritardo di accensione, le velocità di reazione, le specie reali e virtuali. Un esempio di tabella generata è stato sottoposto a una procedura di validazione. L’analisi ha dimostrato che è possibile ricostruire l’evoluzione di un problema di autoaccensione a carica omogenea e pressione costante facendo riferimento alle informazioni precedentemente inserite nella tabella. Guardando all’implementazione del modello di previsione della detonazione è opportuno sottolineare che tale processo ha richiesto l’introduzione di modifiche significative in Gasdyn, il codice di simulazione motore adottato. Il modello citato, associato al metodo di tabulazione TKI, è stato applicato ad un processo di simulazione di un motore reale. In questo contesto sono state effettuate diverse analisi. Lo studio della variazione degli anticipi di accensione ha dimostrato che l’approccio è in grado di cogliere l’insorgenza della detonazione per la condizione operativa simulata. Inoltre, è stata testata la capacità dell’approccio di prevedere i profili di pressione interna al cilindro in condizioni di detonazione. È stato osservato che i segni caratteristici del fenomeno sono visibili sui profili di pressione calcolati. Infine, l’applicazione del modello è stata integrata con la rappresentazione del fenomeno di variabilità ciclica del motore. I risultati ottenuti hanno dimostrato che l’approccio concepito è in grado di cogliere le variazioni cicliche associate al suo funzionamento. Le simulazioni effettuate hanno dimostrato che il tempo di calcolo richiesto è comparabile a quello di approcci alternativi più semplici e, di conseguenza, notevolmente inferiore rispetto a quanto richiesto dall’integrazione diretta di schemi chimici dettagliati. La metodologia presentata ha dimostrato il potenziale per diventare uno strumento efficace ed efficiente per sostenere e guidare lo sviluppo dei motori, sia in ambito di ricerca che industriale.