CFD modeling of cold-flow in the Darmstadt optical engine under steady-state and full-cycle conditions

Details of the in-cylinder flow motions play a key role in determining the engine performance. Flow motions within the engine cylinder have a great influence on the fuel-air mixing, on the start and development of the combustion process, on the pollutant production and on heat transfer. The prediction of in-cylinder flow motion characteristics in function of the engine design parameters is thus of central importance. In the last decades the use of CFD (Computational Fluid Dynamics) has allowed to analyse the evolution of the in-cylinder flow motions and to perform parametric studies without the relative experimental costs. In the present work two types of cold-flow simulations have been performed using OpenFOAM, an open-source CFD software, and Lib-ICE, a code based on Open- FOAM technology focused on internal combustion engine simulations developed by ICE Group of Politecnico di Milano. The first simulation analyses the mid-intake phase in steady-state condition, the second one instead is a full-cycle simulation. In both simulations a comparison between the two configurations of the TU-Darmstadt optical engine has been performed, in order to determine their capability to gener- ate (and concerning the full-cycle simulation to maintain) a high Tumble motion. The achieved results have been validated with the available experimental data. The full-cycle simulation has been perform on one engine configuration only, then the results have been compared with those of a previous work carried out by the ICE Group on the other configuration.

I dettagli relativi alle condizioni di moto del fluido nel cilindro giocano un ruolo fondamentale nella determinazione delle prestazioni del motore. I moti della car- ica controllano infatti il miscelamento del combustibile con l’ossidante, l’avvio e lo sviluppo del processo di combustione, la formazione di inquinanti e lo scambio ter- mico. Risulta quindi essenziale poterne prevedere le caratteristiche in funzione dei parametri di progetto del motore. Negli ultimi decenni l’uso della CFD (Computa- tional Fluid Dynamics) ha permesso di indagare l’evoluzione dei moti della carica all’interno del cilindro e condurre analisi parametriche senza i relativi costi speri- mentali. In questo lavoro sono stati effettuati due tipi di simulazioni cold-flow tramite OpenFOAM, un codice open-source per analisi CFD, e Lib-ICE, una libreria basata su OpenFOAM e creata dall’ICE Group del Politecnico di Milano specificamente per le simulazioni inerenti ai motori a combustione interna. La prima simulazione studia la fase di metà aspirazione in condizioni stazionarie, la seconda simulazione invece copre l’intero ciclo motore. In entrambe le simulazioni sono state confrontate le due configurazioni del motore ottico di TU-Darmstadt, al fine di determinare quale delle due sia in grado di generare (e nel caso della simulazione dell’intero ciclo motore sostenere) un moto vorticoso di Tumble più intenso. I risultati ottenuti sono validati tramite confronto con i dati sperimentali ove disponibili. La simulazione coprente l’intero ciclo motore è stata svolta su una sola delle due configurazioni, i risultati sono poi stati confrontati con i risultati di un lavoro precedente dell’ICE Group svolto sull’altra configurazione del motore.