Development of an indirect method for knock prediction in CRFD simulations of internal combustion engines

Abstract

A detonação é uma combustão indesejada que pode danificar o motor. A fluidodinâmica reativa computacional (CRFD) auxilia no desenvolvimento de motores, embora a previsão de detonação seja um desafio devido à sua natureza localizada. O objetivo desta pesquisa é desenvolver um método de previsão numérica indireta de detonação para ser usado em simulações de CRFD de motores de combustão interna, aplicando a integral de Livengood-Wu baseada em uma correlação de tempo de atraso de ignição (IDT) obtida por uma abordagem automatizada e multivariada, com os valores locais de pressão, temperatura e composição da mistura. A correlação é uma expressão de Ahrrenius modificada, obtida após sucessivas regressões lineares múltiplas (MLR), em função de temperatura, índice anti-detonação (AKI), pressão e razão de equivalência, em uma região fora do coeficiente negativo de temperatura (NTC). A base de dados reúne dados experimentais publicados de IDT. A cada iteração, removem-se pontos com alto erro e as MLRs são recalculadas até atingir um limite de erro. Os resultados são validados para uma base de dados restrita (álcoois de cadeia normal de um a quatro carbonos), antes de implementar na maior. A simulação CRFD de referência é um motor a centelha com injeção direta, cujos principais modelos são: chama coerente estendida de 3 zonas (ECFM-3Z) para combustão; k-? - f para turbulência; TABKIN FGM e Knock Shell para detonação. Dados de escoamento e mistura são extraídos de 16 esferas igualmente espaçadas no ponto morto superior, em uma análise a posteriori. Esses valores são usados para avaliar a integral L-W com diferentes métodos de IDT, obtidos de simulações de cinética química de Cantera ou a partir de correlações de IDT. O início da detonação estimado através das integrais L-W é comparado ao ângulo de virabrequim apontado por dois valores de referência, quando as esferas atingem 1000 K e O1% (quando há ao menos 1% de probabilidade de detonação). Entre os resultados, para as correlações de IDT, destacam-se um erro absoluto médio próximo de 10% e R2 de 0.991 para álcoois e 0.987 para a base completa. Para a análise a posteriori, os métodos baseados em mecanismos estão mais próximos das referências em 500 e 1000 RPM. No entanto, a correlação deste trabalho tem uma previsão conservadora em 14 das 16 esferas a 2000 RPM comparada a O1% e dista, em média, 0.6 ângulos de virabrequim da referência de 1000 K. Para 4000 RPM, no entanto, há uma previsão tardia generalizada.

Abstract: Knock is an undesired combustion event that can damage the engine. Computational reactive fluid dynamics (CRFD) assists in engine development, although knock prediction is challenging due to its localized nature. The objective of this research is to develop an indirect method for knock prediction to be used in CRFD simulations of internal combustion engines, applying the Livengood-Wu integral based on an ignition delay time (IDT) correlation obtained by a multivariate and automatized approach, with local values of pressure, temperature and mixture composition. The correlation is a modified Ahrrenius expression, obtained after successive multiple linear regressions (MLR), as a function of temperature, anti-knock index (AKI), pressure and equivalence ratio, in a region outside the negative temperature coefficient (NTC). The database gathers published IDT experimental data. At each iteration, points with high error are removed and the MLRs are recalculated until an error threshold is reached. The results are validated for a restricted database (normal chain alcohols of one to four carbons), before implementing in the larger one. The reference CRFD simulation is a direct-injection spark engine, whose main models are: 3-zone extended coherent flame (ECFM-3Z) for combustion; k-? - f for turbulence; TABKIN FGM and Knock Shell for detonation. Flow and mixture data are extracted from 16 spheres equally spaced at top dead center in an a posteriori analysis. These values are used to evaluate the L-W integral with different IDT methods, obtained from Cantera chemical kinetics simulations or from IDT correlations. The knock onset estimated through the L-W integrals is compared to the crank angle pointed by two reference values, when the spheres reach 1000 K and O1% (when there is at least 1% probability of knock). Among the results, for the IDT correlations, it is worth mentioning an average absolute error close to 10% and R2 of 0.991 for alcohols and 0.987 for the complete database. For the a posteriori analysis, the mechanism-based methods are closer to the references at 500 and 1000 RPM. However, this work?s correlation conservatively predicted the knock onset on 14 of the 16 spheres at 2000 RPM compared to O1% and is, on average, 0.6 crank angle degrees away from the 1000 K reference. At 4000 RPM, however, there is a generalized late prediction.