Design of a new mixer for the HI-eSCR2 system developed by FIAT powertrain technologies : CFD and experimental analysis

The search for cleaner Diesel engine has pushed companies to look for new ways to abate pollutants. The Hi-eSCR2 system developed by Fiat Powertrain Technologies (FPT) is nowadays a massive step forward in that direction. However, the continuous improvement in the field requires the study of new geometries in order to increase efficiency and engine power. The developing process starts from the design of the piece, then moving towards the fluid dynamic simulation and experimental campaign. The work of this master thesis has focused on the two last stages: a CFD analysis of a brand new geometry by using OpenFOAM joined by an unsteady measurement in the cold flow lab. Four different geometries have been analysed in order to capture the main features of the flow field under different conditions. The ultimate goals are: to calculate the flow pattern and the unsteadiness of the generated torque; to compare and carefully analyse the differences among them in order to figure out what could be the best compromise in terms of generated swirl and instability; to set the level of accuracy and fidelity of a CFD model by comparing the results with data coming from experiments. The work is divided in seven chapters: the first three chapters focus on theoretical notions of internal combustion engines, computational fluid dynamics and OpenFOAM structure and solvers. The last four chapters illustrate the methodologies used to perform the CFD simulation, the evaluation process of the performance parameters, the results of all the different geometries, the comparison with experiments and the conclusion, which will set the starting point for future developments.

L’abbattimento delle emissioni inquinanti è ormai il maggiore punto di ricerca e sviluppo per i motori a combustione interna. Ogni azienda, attraverso un processo lungo e costoso, sviluppa la propria tecnologia affinché i valori rispettino le norme europee. In Fiat Powertrain Technology (FPT), il sistema Hi-ESCR2 rappresenta il passo avanti fatto per creare motori sempre più efficienti e rispettosi dell’ambiente. La nascita di un nuovo prototipo nasce attraverso tre fasi: progettazione, simulazione fluidodinamica e test di laboratorio. Questo lavoro di tesi si concentra sulle ultime due fasi: lo studio di una nuova geometria proposta da FPT del sistema Hi-eSCR2, attraverso simulazioni fluidodinamiche con l’ausilio del software OpenFOAM e test al banco prova a freddo (nel centro FPT di Arbon, Svizzera). In particolare, quattro differenti proposte geometriche verranno analizzate, al fine di poter catturare le varie differenze, vantaggi e svantaggi. In definitiva, i principali scopi sono: valutare le caratteristiche del flusso e l’instabilità della coppia generata, confrontare le diverse geometrie in modo da poter trovare il miglior compromesso tra coppia generata e instabilità della stessa, capire il livello di accuratezza e precisone del modello CFD confrontando i calcoli con le misure fornite dal banco prova. Il lavoro è stato diviso in sette capitoli: nei primi tre sono fornite le principali nozioni teoriche di motori a combustione interna, computazione fluidodinamica e la struttura, le caratteristiche e i risolutori di OpenFOAM. Negli altri quattro capitoli sono illustrate le metodologie scelte per effettuare le simulazioni con OpenFOAM, la valutazione dei parametri di performance, i risultati delle differenti geometrie, il confronto con i valori sperimentali le conclusioni finali, che rappresenteranno le fondamenta da cui partire per ulteriori sviluppi futuri.