Development of a FPI Detailed Chemistry Tabulation Methodology for Internal Combustion Engines
Développement d'une tabulation FPI pour la prise en compte de la chimie complexe dans la simulation 3D moteurs
Institut français du pétrole, IFP, Direction Techniques d'Applications énergétiques, 1-4 avenue de Bois-Préau, 92852 Rueil-Malmaison Cedex - France
Corresponding authors: cecile.pera@ifp.fr olivier.colin@ifp.fr stephane.jay@ifp.fr
In this paper, the FPI (Flame Prolongation of ILDM) approach for chemistry tabulation is applied to 3D internal combustion engine simulations. The first issue is to adapt the method to a fully compressible solver with a limited database size. Tabulation reduction could be a solution for reducing the database size but, for the present applications, the compositions together with local thermodynamic conditions are varying over very large ranges. Instead, we propose a novel formulation of the model based on the mass fraction balance equation of main species and on the tabulated chemical source term of the reaction progress variable. Then, the model is extended to engine problematics such as dilutant addition and complex fuels handling. The model is integrated in the IFP-C3D internal combustion engine solver and it is validated against complex chemistry calculations in constant and variable volume configurations. The model is finally successfully applied to the computation of Diesel engine operating point with spray injection.
Résumé
L'objectif de cette étude est d'utiliser une tabulation de la chimie de type FPI (Flame Prolongation of ILDM) pour la simulation 3D de la combustion dans les moteurs. La première difficulté a été d'adapter la méthode à des codes compressibles tout en se limitant à des tailles de tables raisonnables. Pour satisfaire ces contraintes, une nouvelle formulation a été proposée. Elle permet de garder une structure de code basée sur le transport de quelques espèces chimiques tout en assurant la cohérence de l'évolution du système grâce à une équation pour l'avancement de la réaction. Le terme source chimique impliqué dans cette dernière est directement extrait de la tabulation. L'approche retenue permet également d'appliquer la modélisation FPI à des problématiques moteur comme l'utilisation de carburants complexes caractérisés par des chimies détaillées très lourdes ou la combustion fortement diluée. Le modèle proposé, introduit dans le code de simulation moteur IFP-C3D, a été validé sur des configurations homogènes à volume constant et à volume variable contrôlé. Enfin, le modèle complet a été appliqué avec succès à un cas moteur Diesel à injection directe.
© IFP, 2009