Development of an advanced multi-dimensional CFD framework for modeling low temperature combustion in direct injection compression ignition engines

The main objective of this work is to study combustion characteristics of the reacting high pressure liquid sprays and compression ignition Diesel engines under conventional and low temperature operating modes by development of a robust computational framework. This has been done under RANS turbulence modeling methodology and Lagrangian Droplet Eulerian Flow formulations of multi-dimensional computational fluid dynamics modeling perspective. Initially, Conical and Spray Oriented grids were introduced for non-reacting liquid spray simulations and noticeable enhancement of air-fuel mixing process and better representation of the scalar dissipation rates were depicted. It was shown that a reliable non-reacting simulation is the perquisite of accurate results for reacting liquid spray simulations. In this regard, uncertainties from the liquid spray simulations should be minimized. For instance, it was shown that occurrence of cavitation while injecting of the liquid fuel can highly alter the spray properties, breakup, evaporation, air-fuel mixing, and subsequent combustion. It was discussed that for the fuels that are more prone to cavitation care must be taken both in experimental observation and measurements and numerical model selection and application. Attention then was given to the reactive simulations of the Engine Combustion Network Spray A and Spray B configurations. Two well known combustion closures, models based on well-mixed assumption and flamelet concept, with enhanced applicability were selected. After extensive validations over wide range of operating conditions in case of ambient temperature, density, oxidizer level, and injection pressures, a detailed combustion phasing analysis and mathematical reasoning of observed model-to-model differences were made. Detailed discussions were carried out on how embedded Turbulence Chemistry Interactions (TCI) can enhance the ignition delay times and flame lift-off length and alter the combustion phasing mechanism compared to the closures without considering TCI. Lastly, study was focused on modeling of Partially Premixed Compression Ignition (PPCI) engines as an advanced Low Temperature Combustion (LTC) mode. It was discussed that how air-fuel mixture stratification levels can modify the history of pressure and heat release rate. Negative Temperature Coefficient times tend to reduce by further moving to high fuel stratification levels. This can introduce much better control over PPCI combustion heat release once the engine needed thermal load was provided. All the computational efforts in this work were implemented within the OpenFOAM R framework, as a contribution to the library Lib-ICE, developed by the Internal Combustion Engine Group of the Energy Department of Politecnico di Milano.

L'obiettivo principale di questo lavoro è quello di studiare le caratteristiche del processo di combustione con spray liquidi in bomba ad alta pressione e nei motori Diesel sia in modalità di funzionamento convenzionali che a bassa temperatura, sviluppando una robusta metodologia numerica. Questo è stato fatto attraverso un approccio RANS per la soluzione della turbolenza e una formulazione Lagrangiana-Euleriana del flusso multi-dimensionale. Inizialmente, griglie coniche e orientate secondo lo spray sono stati introdotte per la simulazione di spray liquidi evaporanti non-reagenti e la valutazione del processo di miscelazione aria-combustibile e la distribuzione dello scalar dissipation rate. È stato dimostrato che una affidabile simulazione del flusso non reagente è la prerogativa essenziale per accurati risultati delle simulazioni reagenti. A riguardo, le incertezze associate alle simulazioni del getto di liquido devono essere minimizzate. Per esempio, è stato dimostrato che il verificarsi della cavitazione durante l'iniezione del combustibile liquido può altamente alterare le proprietà del getto, la rottura, l’evaporazione, la miscelazione aria-carburante e la successiva combustione. Si è discusso come i combustibili che sono più inclini alla cavitazione richiedono opportune metodologie di analisi sperimentale e numerica. L'attenzione poi è stata data alle simulazioni reagenti delle configurazioni Spray A e Spray B dell’Engine Combustion Network. Due ben noti modelli di combustione rispettivamente basati su ipotesi di miscelazione omogenea e flamelet sono stati selezionati. Dopo lunghe validazioni in una vasta gamma di condizioni operative con differenti temperature ambiente, densità, ossigeno e pressioni di iniezione, una dettagliata analisi delle fasi di combustione e delle differenze dovute al modello scelta è stata svolta. Sono state condotte approfondite discussioni su come l’inclusione dell’interazione chimica-turbolenza possa migliorare la stima dei tempi di ritardo di accensione e del lift-off della fiamma ed influenzare il processo di combustione. Infine, lo studio si è concentrato sulla modellazione di motori PCCI, con carica parzialmente premiscelata, una modalità avanzata di combustione a bassa temperatura (LTC). E' stato discusso come i livelli di stratificazione miscela aria-combustibile possano modificare l’evoluzione della pressione e del rilascio di calore. Il tempo di ritardo tra la prima e la seconda fase di combustione tende a ridurre adottando elevati livelli stratificazione della miscela aria-combustibile. Questo può permettere una migliore controllo del rilascio di calore di combustione a pari carico motore. Tutte le simulazioni numeriche di questo lavoro sono stati svolte usando il codice OpenFOAM, includendo la libreria Lib-ICE, sviluppata dal gruppo di Motori a Combustione Interna del Dipartimento di Energia del Politecnico di Milano.