Numerical analysis of mixture formation in optical GDI engine

During this thesis, Computational Fluid-Dynamics techniques (CFD) were employed to simulate the air charge flow through the ports and within the cylinder of a optical (GDI) engine. The charge flow characteristics have major influence over the efficiency and the pollutant production of an engine and, for this reasons, they have been studied by the companies. The CFD is able to evaluate these quantities, in a fast a reliable way, in order to understand how they influence the pollutant emissions and soot formation of the engines. This thesis is part of European project UPGRADE whose objective is the study of new technologies to develop high efficiency and low emission Spark Ignition GDI engines for future Light Duty applications. The objectives of simulations were to analyze the mixture formation and to compare the calculated results with the experimental ones. Moreover, exploiting the optical engine feature, it was possible to validate the results with the experimental images of the injection phase. After an introduction on the technologies to reduce pollutant emissions and particulate, the theoretical bases of fluid flows, turbulence and finite volume method applied to CFD are illustrated. The open-source code used, OpenFOAM , is presented together with the LibICE library which was developed by Internal Combustion Engines Group of Politecnico di Milano. After that, the full cycle meshing process was described. The two cold flow simulations were realized, using different discretization schemes, and also the comparison with experimental data, provided by IFP, was made. The targeting simulation results were compared with the IFP data, especially the calculated spray morphology was validated with the engine images. At the end, it was presented the set-up of injection simulation with the explanation of film behavior while, now, the simulation is still running.

Durante questa tesi le tecniche di Fluidodinamica computazionale (CFD) sono state impiegate per simulare i moti della carica d'aria attraverso le porte e nel cilindro di un motore ottico a iniezione diretta (GDI). Le caratteristiche dei moti della carica hanno una grande influenza sul rendimento e sulla produzione degli inquinanti di un motore e, per questo motivo, sono state studiate dalle aziende. La CFD è in grado di valutare queste quantità, in modo rapido e affidabile, per capire come influenzano le emissioni inquinanti e la formazione di fuliggine dei motori. Questa tesi fa parte del progetto europeo UPGRADE il cui obiettivo è lo studio di nuove tecnologie per lo sviluppo di motori ad accensione comandata GDI ad alta efficienza e a basse emissioni per future applicazioni per veicoli leggeri. Gli obiettivi delle simulazioni erano di analizzare la formazione della miscela e confrontare i risultati calcolati con quelli sperimentali. Inoltre, sfruttando le caratteristiche del motore ottico, è stato possibile validare i risultati con le immagini sperimentali riguardanti la fase di iniezione. Dopo un'introduzione sulle tecnologie per ridurre le emissioni degli inquinanti e il particolato, vengono illustrate le basi teoriche del flusso sul moto dei fluidi, della turbolenza e del metodo dei volumi finiti applicato al CFD. Il codice open-source utilizzato, OpenFOAM , è presentato insieme alla libreria LibICE che è stata sviluppata dal Internal Combustion Engines Group del Politecnico di Milano. Successivamente, è stato descritto il processo di meshing a ciclo completo. Sono state realizzate le due simulazioni Cold Flow cycle, utilizzando diversi schemi di discretizzazione, così da poter confrontare i risultati numerici con quelli sperimentali, forniti da IFP. I risultati della simulazione di calibrazione sono stati confrontati con i dati IFP, in particolare, la morfologia spray simulata è stata convalidata con le immagini sperimentali del motore. Alla fine, è stato presentato il setup della simulazione ed è stata illustrata la formazione del film sulla valvola di aspirazione mentre la simulazione è ancora in esecuzione.