Evaluating the effect of fuel spray gas interaction on engine performances by means of 1D-3D simulations : development and application to a moto3 racing motorbike

Computational fluid dynamics is a strong and reliable tools in the analysis of internal combustion engines operation. In particular the employment of mono-dimensional softwares, based on finite volume discretization of the space, allows the modeling of all components belonging to the same engine and so the simulations corresponding to specific operative conditions can be carried out, achieving values for parameters of performance as volume efficiency and effective torque. However internal combustion engine are complex heat engine inside which occur numerous unsteady phenomenons simultaneously; in order to investigate the effect of a particular phenomenon that occurs inside a specific component, a multi-dimensional approach is required to reproduce correctly the physics, and thus integrated calculus system 1D-3D have been implemented in the last decades. The aim of this thesis work is to analysis the effect that the indirect fuel injection inside the intake system has on the performances of a Moto3 racing motorbike, by means of simulations 1D-3D. The local cooling due to the evaporation of fuel has great impact on the filling process of the cylinder because of the increase of gas density and the change in the speed of sound that modifies the propagation of pressure waves in the ducts. After trying initially, to mimic the physic just in terms of temperature or negative power imposed in the injection spray zone, using an eulerian approach, a new coupled solver was implemented based on the lagragian approach, through which the fuel spray jet was modeled. Interesting results reflecting the real engine behavior for all regimes of interest were obtained and the validation of the new model was led comparing to measured data. Eventually a last effort was oriented to achieve a model able to include the impingement among liquid drops and walls thus the film-wall formation was investigated. This last aspect detected itself as a good start point for future study and next improvements.

La fluido dinamica computazionale è un potente e affidabile strumento nell'analisi del funzionamento dei motori a combustione interna. In particolare l'impiego di software mono-dimensionali, basati sulla discretizzazione a volumi finiti dello spazio, permette di modellare tutti i componenti appartenenti allo stesso motore e quindi le simulazioni relative ad una specifica condizione di funzionamento possono essere realizzate, ottenendo i valori dei parametri di performance come il coefficiente di riempimento e la coppia effettiva. Tuttavia i motori a combustione interna sono complesse macchine termiche al cui interno avvengo numerosi fenomeni instazionari contemporaneamente; per analizzare l'effetto di un particolare fenomeno che si verifica all'interno di un specifico componente, un approccio multi dimensionale è necessario per riprodurre correttamente il processo fisico e quindi sistemi di calcolo accoppiati 1D-3D sono stati implementati negli ultimi decenni. Lo scopo di questo lavoro di tesi è analizzare gli effetti che l'iniezione indiretta di carburante nei condotti di aspirazione, ha sulle performance di una motocicletta da competizione Moto3, per mezzo di simulazioni 1D-3D. Il raffreddamento locale causato dall'evaporazione della benzina ha grande impatto sul processo di riempimento del cilindro, poiché si ha un aumento della densità del gas e si ha un cambiamento della velocità del suono che modifica la propagazione delle onde di pressione nei condotti. Dopo aver inizialmente tentato di imitare il fenomeno solo in termini di temperatura o di potenza negativa imposta alla zone dello spray usando un approccio euleriano, un nuovo solutore accoppiato è stato implementato basato su un approccio lagrangiano, attraverso il quale lo spray del carburante è stato modellato. Risultati interessanti rispecchianti il comportamento reale del motore per tutti i regimi di interesse, sono stati ottenuti e la validazione del nuovo modello è stata condotta comparandolo con i dati misurati. Infine un ultimo sforzo è stato orientato all'ottenimento di un modello in grado di includere l'impatto tra gocce di liquido e parete e quindi la formazione di film liquido è stata studiata. Questo ultimo aspetto si è rivelato un buon punto di partenza per indagini future e successivi miglioramenti.