Development of a computationally efficient tabulated chemistry solver for internal combustion engine optimization using stochastic reactor models

Andrea Matrisciano, Tim Franken, Laura Catalina Gonzales Mestre, Anders Borg, Fabian Mauss

First published: 16 December 2020

Abstract

The use of chemical kinetic mechanisms in computer aided engineering tools for internal combustion engine simulations is of high importance for studying and predicting pollutant formation of conventional and alternative fuels. However, usage of complex reaction schemes is accompanied by high computational cost in 0-D, 1-D and 3-D computational fluid dynamics frameworks. The present work aims to address this challenge and allow broader deployment of detailed chemistry-based simulations, such as in multi-objective engine optimization campaigns. A fast-running tabulated chemistry solver coupled to a 0-D probability density function-based approach for the modelling of compression and spark ignition engine combustion is proposed. A stochastic reactor engine model has been extended with a progress variable-based framework, allowing the use of pre-calculated auto-ignition tables instead of solving the chemical reactions on-the-fly. As a first validation step, the tabulated chemistry-based solver is assessed against the online chemistry solver under constant pressure reactor conditions. Secondly, performance and accuracy targets of the progress variable-based solver are verified using stochastic reactor models under compression and spark ignition engine conditions. Detailed multicomponent mechanisms comprising up to 475 species are employed in both the tabulated and online chemistry simulation campaigns. The proposed progress variable-based solver proved to be in good agreement with the detailed online chemistry one in terms of combustion performance as well as engine-out emission predictions (CO, CO2, NO and unburned hydrocarbons). Concerning computational performances, the newly proposed solver delivers remarkable speed-ups (up to four orders of magnitude) when compared to the online chemistry simulations. In turn, the new solver allows the stochastic reactor model to be computationally competitive with much lower order modeling approaches (i.e., Vibe-based models). It also makes the stochastic reactor model a feasible computer aided engineering framework of choice for multi-objective engine optimization campaigns.

Read more

Privacy Policy & Cookie Settings 

We use cookies to provide you with the best possible content and functionality on our website. We also use cookies for analysis purposes. 

Go to the Privacy Policy and Cookie Settings. 

Agree with allOnly allow necessary cookies

Privacy policy & Cookie settings 

Please note that technically necessary cookies must be set in order to maintain the functionality of our website, as described in our privacy policy. We only use cookies for analysis purposes with your consent. Further details, in particular regarding the storage period and recipients, can be found in our privacy policy. You can adjust your selection in the cookie settings. 

PHP Sitzung
Das Cookie PHPSESSID ist für PHP-Anwendungen. Das Cookie wird verwendet um die eindeutige Session-ID eines Benutzers zu speichern und zu identifizieren um die Benutzersitzung auf der Website zu verwalten. Das Cookie ist ein Session-Cookie und wird gelöscht, wenn alle Browser-Fenster geschlossen werden.
Google Maps
Google Maps ist ein Karten-Dienst des Unternehmens Google LLC, mit dessen Hilfe auf unserer Seite Orte auf Karten dargestellt werden können.
YouTube
YouTube ist ein Videoportal des Unternehmens Google LLC, bei dem die Benutzer auf dem Portal Videoclips ansehen, bewerten, kommentieren und selbst hochladen können. YouTube wird benutzt um Videos innerhalb der Seite abspielen zu können.
Vimeo
Vimeo ist ein Videoportal des Unternehmens Vimeo, Inc., bei dem die Benutzer auf dem Portal Videoclips ansehen, bewerten, kommentieren und selbst hochladen können. Vimeo wird benutzt um Videos innerhalb der Seite abspielen zu können.
Google Analytics
Google Analytics installiert die Cookie´s _ga und _gid. Diese Cookies werden verwendet um Besucher-, Sitzungs- und Kampagnendaten zu berechnen und die Nutzung der Website für einen Analysebericht zu erfassen. Die Cookies speichern diese Informationen anonym und weisen eine zufällig generierte Nummer Besuchern zu um sie eindeutig zu identifizieren.
Matomo
Matomo ist eine Open-Source-Webanwendung zur Analyse des Nutzerverhaltens beim Aufruf der Website.