CFD analysis of cold flow cycle and mixture formation in a GDI engine

In this thesis Computational Fluid-Dynamics techniques (CFD) have been used to simulate and evaluate the air charge flow through the ports and inside the cylinder of a small Gasoline Direct Injection (GDI) engine. The charge flow characteristics have been studied from both experimental and numerical point of view because they have strong influence on engine efficiency and pollutants production. In the last years flow simulations have been developed and have become accurate and fast, so CFD analysis is used in addition to experimental tests during the design process. This thesis was developed in collaboration with CRF (Centro Ricerche Fiat) and is part of European project 'Upgrade' whose objective is to increase the efficiency and reduce the pollution emission of Spark Ignition Direct Injection engines through complex 3D numerical analysis of in-cylinder flow behavior. The simulations were carried out with the open-source CFD software 'OpenFOAM' using the 'LibICE' library which was developed by Internal Combustion Engines Group of Politecnico di Milano. The objective of simulations was to validate the accuracy of the results obtained using 3D models comparing them with those obtained with 1D GT-Power software in terms of pressure, temperature, trapped air mass and the main charge motions parameters, like tumble ratio and turbulent kinetic energy. The geometry and 1D GT-Power results and some experimental data were available at the beginning of this study. In the first part of this work the internal combustion engines, the theoretical bases of fluid flows, turbulence modeling and finite volume method is introduced. In addition, a description of 'OpenFOAM' software and LibICE library is given. Then the meshing process and the meshes used for the simulations are described. In the last part cold flow simulations results of both 2000 rpm and 2500 rpm engine regimes are shown and a detailed comparison with 1D GT-Power results is given. Also the results relative to the injection simulation on 2000 rpm regime are show, focusing on the wall film and lambda value in combustion chamber volume evolution in time

In questo studio le tecniche di fluido-dinamica computazionale (CFD) sono state utilizzate per simulare e valutare il flusso della carica fresca e dei gas combusti attraverso le valvole e all'interno del cilindro di un motore a combustione interna ad accensione comandata a iniezione diretta di benzina di piccola cilindrata. Le caratteristiche del flusso della miscela sono state analizzate sia dal punto di vista sperimentale che numerico perché esse hanno una forte influenza sull'efficienza e sulle emissioni prodotte dal motore. Negli ultimi anni le simulazioni numeriche hanno subìto un importante sviluppo che ha portato ad un aumento dell'accuratezza, della precisione e della velocità di calcolo; per questo motivo, sempre più spesso le simulazioni CFD sono utilizzate parallelamente ai test sperimentali per avere una migliore visione d'insieme nella fase di progettazione. Questa tesi è stata sviluppata in collaborazione col Centro Nazionale di Ricerca (CNR) e fa parte del progetto europeo Upgrade al quale il Politecnico di Milano partecipa. Le simulazioni numeriche sono state svolte mediante il software CFD open-source OpenFOAM utilizzando la libreria LibICE sviluppata interamente dall' Internal Combustion Engine Group del Politecnico di Milano. L'obiettivo di questa tesi è quella di validare i modelli numerici utilizzati confrontando i risultati ottenuti mediante simulazioni numeriche con quelli ottenuti sperimentalmente in termini di: pressione, temperatura, massa intrappolata e rapporto di tumble. Sono stati resi disponibili per questo studio la geometria, i dati sperimentali e i dati delle simulazioni numeriche mono-dimensionali (1D). Nei capitoli seguenti verrà introdotta una descrizione del motore a combustione intera e i suoi parametri più importanti, con particolare attenzione ai motori ad accensione comandata che sono oggetto di questo studio. Successivamente verranno introdotte la teoria della fluidodinamica, i modelli di turbolenza e il metodo degli elementi finiti. Verranno descritti il software OpenFOAM e la libreria LibICE. Verrà descritto il processo di meshing e le mesh utilizzate per le simulazioni numeriche. Nella parte finale verranno esposti i risultati relativi al cold flow svolto considerando due regimi di rotazione del motore (2000 giri/min e 2500 giri/min) e il loro confronto i dati ottenuti utilizzando il software 1D GT-Power. Infine sono mostrati i risultati della simulazione dell’iniezione sul punto di funzionamento 2000 rpm, ponendo l’attenzione sull’evoluzione nel tempo sia del wall film sia della distribuzione del parametro lambda nella camera di combustione.