Modellazione multidimensionale dell'evoluzione degli spray per motori ad iniezione diretta e ad accensione comandata

CFD modeling of the fuel-air mixture formation in gasoline, direct injection engines allows to predict performances and pollutants formation. At first this work focused on the simulation of the fuel spray injected into an axisymmetric volume. The gas phase was resolved using an eulerian approach, while the liquid one was modelled with a lagrangian method; phenomenological models were added to include other processes, such as injection, breakup, evaporation, which had to be implemented in the new OpenFOAM® release 2.3.x used for simulations. Mesh dependency problems were analized and the optimum set of the principal parameters was chosen: a good agreement with experimental data was achieved in terms of spray penetration, droplet diameter and morphology. Sub-models showed a good sensitivity to the variation of operating conditions: therefore, this method of analysis may be useful for predictive purpouses, identifying the spatial charge distribution from which combustion process will originate. A multi-hole injector was then considered for a three-dimensional simulation: some conclusions were derived on the possibility to use alternative fuels like ethanol. A study about gasoline properties was carried out in order to obtain better results with respect to fuel evaporation. The software capability to describe properly spray impingement on a solid wall and wall film evolution was tested: good results were gained and they are helpful to predict pollutants formation in this area. At last, a new breakup model for flash-boiling conditions was considered: the correct correspondence between numerical and experimental data enables to apply the developed library also to unusual operating conditions.

La modellazione numerica con tecniche CFD dei processi di formazione della miscela aria-combustibile nei motori a benzina ad iniezione diretta consente di prevedere le prestazioni e la formazione delle emissioni inquinanti. Questo lavoro si è rivolto inizialmente alla simulazione dello spray di combustibile all'interno di un dominio assialsimmetrico. La fase gassosa è stata risolta con un approccio euleriano, mentre la fase liquida è stata modellata con un approccio lagrangiano; sono stati aggiunti i modelli fenomenologici relativi ai processi di iniezione, breakup ed evaporazione che è stato necessario implementare nella nuova versione del codice OpenFOAM® 2.3.x utilizzata per le simulazioni. Sono state analizzate le problematiche di dipendenza dalla dimensione di griglia ed è stata individuata la configurazione ottimale dei principali parametri caratteristici: in questo modo, è stata ottenuta una corrispondenza soddisfacente con i dati sperimentali, in termini di penetrazioni, diametro medio delle gocce e morfologia. I modelli hanno mostrato una buona sensibilità ad una variazione della condizioni operative: è quindi possibile ritenere questa metodologia di analisi utile per scopi predittivi, individuando la distribuzione spaziale di carica da cui avrà origine il processo di combustione. Successivamente è stato considerato un iniettore multiforo per un caso 3D, che ha permesso anche di trarre delle conclusioni sulla possibilità di utilizzare combustibili alternativi come l'etanolo. Inoltre, è stato svolto uno studio delle proprietà della benzina, al fine di ottenere risultati più precisi riguardo l'evaporazione del combustibile. É stata testata la capacità del software di descrivere accuratamente l'impatto dello spray con una parete solida e l'evoluzione del film fluido: i buoni risultati ottenuti sono utili per la previsione di eventuali inquinanti dannosi formati in questa zona. Infine, è stato sviluppato un modello di breakup valido in condizioni di flash-boiling: la corretta corrispondenza tra risultati numerici e sperimentali in termini di morfologia dello spray consente di applicare la libreria implementata anche a condizioni di funzionamento non usuali.