CFD modeling of the air-fuel mixing process in gas-fueled engines

The great results in terms of high performance and reduced emissions shown by gaseous fuel when used in the Internal Combustion Engine (ICE) lead the automotive industry to look for innovative solutions, such as Direct-Injection (DI), with the aim to solve the typical problems which characterise the gas-fueled engines. In this scenario, the CFD confirms to be a valid instrument for the development of new injection systems which are required for the optimization of the air-fuel mixing process within the combustion chamber. However, the multi-dimensional simulation of the air-fuel mixing in DI-engine represents a very challenging task since supersonic flows are involved in presence of moving boundaries. In this work, a numerical methodology for the simulation of the injection process in gas-fueled engines was developed using the Lib-ICE framework, which is a set of libraries and applications based on OpenFOAM technology focused on internal combustion engines simulations developed by ICE Group of Politecnico di Milano. In the first part of the work, several combinations of inlet conditions and turbulence models were compared in order to define a suitable numerical setup capable to describe the gaseous fuel release from a multi-hole nozzle injector. While in the second part, thanks to the injection phase simulation of the research, optical access, gaseous-fueled DI-engine named SOpHy, it was possible to validate the detected numerical methodology comparing the calculation results with detailed experimental measurements made and published by the Engine Combustion Network-Sandia National Laboratories (ECN).

Gli ottimi risultati in termini di alta efficienza e ridotte emissioni mostrati nell’ utilizzo di combustibili gassosi per i motori a combustione interna, portano l’industria automobilistica a ricercare soluzioni innovative, come l’iniezione diretta, al fine di risolvere i problemi che caratterizzano i motori alimentati a gas. In questo scenario, la CFD si conferma essere un valido strumento per lo sviluppo di nuovi sistemi di iniezione necessari per l’ottimizzazione del processo di formazione della miscela in camera di combustione. Tuttavia, la modellazione multidimensionale del fenomeno di generazione della miscela in un motore a iniezione diretta rappresenta un compito impegnativo poiché i flussi coinvolti si manifestano in condizioni supersoniche all’ interno di un dominio in movimento. In questo lavoro è stata sviluppata una metodologia numerica per la simulazione del processo di iniezione nei motori alimentati a gas utilizzando Lib-ICE, una libreria basata su OpenFOAM creata dall’ICE Group del Politecnico di Milano per le specifiche simulazioni relative ai motori a combustione interna. Nella prima parte del lavoro sono state confrontate diverse combinazioni di condizioni all’ingresso e modelli di turbolenza al fine di individuare un set-up numerico affidabile capace di descrivere correttamente il rilascio di combustibile gassoso da un iniettore multi foro. Nella seconda parte grazie alla simulazione della fase di iniezione del motore da ricerca ad accesso ottico SOpHy, è stato possibile validare il set-up numerico comparando i risultati calcolati con le misure sperimentali eseguite e rese disponibili da Engine Combustion Network-Sandia National Laboratories (ECN).