A novel multi-zone approach for NOx prediction in Diesel engines

This thesis aims at providing and validating a model, which can forecast the emissions of a virtual four-stroke Diesel engine with different initial settings specified by users. It was developed starting from a previous version of Gasdyn (the numerical code made by the Internal Combustion Engine Group of Politecnico di Milano) and then updated to a more complex model. The previous version was a three-zone model that consisted of a division of the combustion chamber into three parts: air, fuel and burned gases. In this work it was modified into a bizone/six-zone model, which divides the cylinder into two parts (burned and unburned) to compute pressure, whereas the burned “macro-zone” is further divided into six zones in order to compute the temperature trends. In this way a better accuracy in the NOx prevision can be achieved since they are strongly dependent on temperature profiles, which are provided in a more detailed way than before. To make this new model possible, some input data files on mass distribution are necessary, so it will be shown how they were obtained, starting from the idea of modifying the Musculus and Kattke model and getting to the final form which relies on CFD data. The dissertation is structured as follows: a brief introduction to the problem of Diesel emissions and their limitations imposed by European standards, a general view of the state-of-the-art of currently available numerical facilities and a description of the previous Gasdyn model, finally a description of the current model, going through how the input data were obtained and how they are handled by the code. This final part will be supported by graphical comparisons of the different results so as to prove the quality of the work.

La tesi mira a fornire un modello che preveda le emissioni di un motore Quattro-tempi Diesel, virtuale, al variare delle impostazioni iniziali fornite dall’utente. Il progetto è stato sviluppato a partire da una precedente versione di Gasdyn (il codice numerico creato dal gruppo ICE del Politecnico di Milano) e aggiornato in una versione più complessa della precedente. Tale versione era un modello trizona che consisteva in una divisione della camera di combustione in tre parti: aria, carburante e gas bruciati. Attraverso questo lavoro è stato modificato in un modello Bizona/Seizona cioè un modello che divide il cilindro in due parti (bruciata e non bruciata) per calcolare la pressione, mentre, per il calcolo degli andamenti delle temperature di ciascuna micro zona, la macro zona bruciata è ulteriormente divisa in sei parti. In questo modo è possibile ottenere una maggior precisione nella previsione degli NOx dato che questi sono stret-tamente dipendenti dai profili di temperatura, che sono forniti in una forma più dettagliata e precisa rispetto a prima. Per rendere efficace questa modifica è stato necessario un file di dati in input riguardante la distribuzione delle masse, per il quale verrà mostrato come è stato ottenuto, partendo dall’idea di modificare il modello di Musculus e Kattke e arrivando alla forma finale che si basa sui dati provenienti dal CFD. La tesi è strutturata come segue: una breve introduzione del problema delle emissioni dei Diesel e delle limitazioni imposte dagli standard Europei, uno sguardo generale allo stato dell’arte dei codici numerici disponibili ,una descrizione del precedente modello di Gasdyn, ed infine la decrizione del modello attuale, passando attraverso il processo con cui i dati in input sono stati ottenuti. Questa parte finale sarà supportata da confronti grafici dei diversi risultati per testimoniare la qualità del lavoro.