1D thermo-fluid dynamic modeling of SI engines : performances, emissions and knock propensity

Abstract The aim of this work is to evaluate the influence of several fuels chemical and physical properties on the performances of a modern, naturally aspirated SI engine, in particular from the point of view of the knock onset phenomenon. The tested gasolines are characterised by different content of olefins and oxygenated compounds. Knock is a very critical aspect for spark ignition engines. It is a form of abnormal combustion consisting in the auto-ignition of a fresh charge fraction, due to the severe temperature and pressure conditions in the combustion chamber. This process, besides limiting the engine performances, generates very intense pressure waves, which propagate inside the combustion chamber and can damage the structure itself. To accomplish this work, we used the numerical one-dimensional code Gasdyn , developed by the Energy Department of Politecnico di Milano. All the fluid-dynamic models and all the achieved numerical results have been compared and validated with several experimental data, which were both acquired by the Energy Department laboratory test bench and provided by the engine manufacturer. These comparisons show a good agreement between experimental and simulated trends, thus confirming the reliability of the Gasdyn code. The analysis we carried out allows to predict the knock onset in different engine working conditions and to classify the various fuels according to their knock resistance. Knock resistant fuels are depicted by a high octane number and permit to increase the mixture spark advance and to obtain high engine performances, in terms of torque and power.

Sommario Questo lavoro di tesi ha come obiettivo valutare l'influenza delle caratteristiche chimiche e siche di vari combustibili (caratterizzati da diversi contenuti di olefine e composti ossigenati) sulle prestazioni di un moderno motore a benzina ad aspirazione naturale, in particolare dal punto di vista dell'insorgenza del fenomeno della detonazione. La detonazione (o knock) è un aspetto molto critico per i motori a benzina. È una forma di combustione anomala che consiste nell'auto-accensione di una frazione di carica fresca, dovuta alle elevate condizioni di temperatura e di pressione presenti nella camera di combustione. Questo processo, oltre a limitare le prestazioni del motore, genera delle onde di pressione molto intense che si propagano nella camera di combustione e che possono arrecare danni alla struttura stessa. Per realizzare questo lavoro è stato utilizzato il codice numerico mono-dimensionale Gasdyn , sviluppato presso il Dipartimento di Energia del Politecnico di Milano. Tutti i modelli fluidodinamici costruiti e i risultati numerici ottenuti sono stati confrontati e validati con numerosi dati sperimentali, raccolti negli ultimi anni presso i laboratori del Dipartimento di Energia o forniti direttamente dal costruttore del motore analizzato. I confronti ottenuti hanno mediamente mostrato un buon accordo tra gli andamenti sperimentali e simulativi, dimostrando l'affdabilità del codice Gasdyn. Lo studio effettuato ha permesso di prevedere l'insorgenza della detonazione in varie condizioni di funzionamento del motore e di classificare i diversi combustibili sulla base della loro resistenza al knock. Le benzine più resistenti alla detonazione sono caratterizzate da un numero di ottani più elevato e permettono di aumentare lo spark advance della miscela, consentendo di ottenere prestazioni motoristiche più elevate in termini di coppia e potenza prodotte.