Simulation of internal flow in fuel injection process

The role of the injection system in diesel and gasoline engines is to deliver a high-quality air-fuel mixture in the combustion chamber providing efficient combustion while minimizing pollutant and noise emissions. Due to the growing restrictions on emissions and energy consumption, the injection process is gaining in importance. Despite the higher uncertainty and technical limitations of experimental investigations in complex systems with challenging physical conditions, numerical modeling provides reliable results and calculates the temporal behavior of every variable at any place inside the domain. Finding a reliable methodology for the simulation of fuel flow inside diesel and gasoline injectors is the primary objective of this thesis. The intensive working conditions in new high-pressure nozzles, as well as their small dimensions, a drastic pressure gradient, an enormous amount of velocity and turbulence properties inside the nozzle, phase changing, and cavitation forming conditions make this problem more complicated. In the current research, a Homogeneous Equilibrium Model is selected and implemented to simulate multi-phase flow inside modern injectors. This model considers phase changing, cavitation and turbulence effects in the severe working conditions of real size injectors. After assessing the approach with various experimental studies, a simulation of actual size industrial diesel injectors is performed to understand the effects of working conditions and nozzle geometry on flow properties inside the nozzle and the emerging sector. These results could be used to improve the simulation of spray break-up and the atomization process in high-pressure diesel sprays. Simulating a multi-hole gasoline direct injection fuel injector is another aspect of this thesis, investigating a realistic gasoline nozzle with complete geometry, while taking manufacturing tolerances in geometry into account. The results presented herein for different nozzles emphasize the role of geometry tolerances on flow properties inside the nozzle and at the nozzle exit sector. This difference in results could consequently affect the spray break-up of each nozzle that is interesting for further studies in the future. All the models and simulations used in this thesis are conducted within the OpenFOAM technology framework and could be continued in additional research in this field, as well as future works in the Internal Combustion Engine (ICE) group of Politecnico di Milano.

Il ruolo del sistema di iniezione nei motori diesel e benzina consiste nel fornire una miscela di combustibile ad alta qualità nella camera di combustione, fornendo una combustione efficiente, riducendo al contempo le emissioni inquinanti e di rumore. A causa delle crescenti restrizioni sulle emissioni e il consumo di energia, il processo di iniezione sta guadagnando importanza. Nonostante la maggiore incertezza e limitazioni tecniche di indagini sperimentali in sistemi complessi con condizioni fisiche impegnative, la modellistica numerica fornisce risultati affidabili e calcola il comportamento temporale di ogni variabile in qualsiasi posto all'interno del dominio. La ricerca di una metodologia affidabile per la simulazione del flusso di combustibile all'interno degli iniettori diesel e benzina è l'obiettivo primario di questa tesi. Le condizioni di lavoro intenso nei nuovi ugelli ad alta pressione, così come le loro piccole dimensioni, un drastico gradi di pressione, un'enorme quantità di proprietà di velocità e turbolenza all'interno dell'ugello, la fase che cambia e la formazione di cavitazione in condizioni particolari rendono questo problema più complicato. Nell'attuale ricerca, un modello di equilibrio omogeneo viene selezionato e implementato per simulare il flusso multifase all'interno degli iniettori moderni. Questo modello considera gli effetti di cambiamento di fase, di cavitazione e turbolenza nelle severe condizioni di lavoro degli iniettori di dimensioni reali. Dopo aver valutato l'approccio con vari studi sperimentali, viene eseguita una simulazione di iniettori industriali diesel di dimensioni reali per comprendere gli effetti delle condizioni di lavoro e della geometria degli ugelli sulle proprietà di flusso all'interno dell'ugello e del settore emergente. Questi risultati potrebbero essere utilizzati per migliorare la simulazione della rottura dello spruzzo e il processo di atomizzazione negli spruzzi diesel ad alta pressione. Simulando un iniettore di carburante a iniezione diretta a benzina a più fori è un altro aspetto di questa tesi, studiando un ugello realistico a benzina con geometria completa, tenendo conto delle tolleranze di fabbricazione in geometria. I risultati qui presentati per diversi ugelli sottolineano il ruolo delle tolleranze geometriche sulle proprietà di flusso all'interno dell'ugello e sul settore dell'uscita degli ugelli. Questa differenza di risultati potrebbe quindi influenzare la rottura dello spruzzo di ogni ugello che è interessante per ulteriori studi in futuro. Tutti i modelli e le simulazioni utilizzati in questa tesi si svolgono all'interno del framework tecnologico di OpenFOAM e potrebbero essere proseguiti in ulteriori ricerche in questo campo, nonché future lavori nel gruppo Internal Combustion Engine (ICE) del Politecnico di Milano.