Fuel modeling design for engine virtual development

In this work we describe a methodology to produce the flamelet library necessary for the 3D-CFD simulation of internal combustion engines. The first chapter is dedicated to the general situation of the energy sector with particular attention to the automotive sector and biofuels used in spark-ignition engines. Afterwards we describe the modeling of internal combustion engines by means of the 3D-CFD software QuickSim that has been developed at the FKFS and IVK – University of Stuttgart by Dott. Marco Chiodi. The combustion process is modeled in QuickSim using the flamelet regime assumption that requires the production of a database, also called flamelet library, that must be produced outside and before the simulation using a dedicated software that performs the 1D laminar flame speed simulation of the fuel of interest. The main focus of our thesis is to provide a methodology that assures the production of a realistic flamelet library. To do so we validated the reaction mechanisms that are implemented in CANTERA for the most important species against experimental data available in literature. Next, we developed a procedure to produce a surrogate with the correct composition and finally we applied this solution for two real gasolines. The whole process is finally validated by simulating an engine in QuickSim for which experiments were performed.

In questo lavoro si descrive una metodologia per produrre il database della velocità di fiamma lineare e dell'autoaccensione necessario per la simulazione 3D-CFD della combustione in motori a combustione interna. Il primo capitolo è dedicato alla descrizione del settore dell'energia ed in particolare la transizione che sta avvenendo nel campo dei trasporti su ruota verso fonti di energia alternative ed in particolare verso i biocombustibili. Poi descriviamo come viene modellata la combustione nei motori a combustione interna. Al fine di produrre il database, è necessario simulare la velocità di fiamma lineare e l'autoaccensione per mezzo del programma CANTERA. Nel seguito della tesi viene fatta la validazione di alcuni meccanismi di reazione, la metodologia per la definizione dei surrogati e il programma implementato utilizzando dati presenti in letteratura; quindi si passa alla simulazione di due benzine reali di cui non si hanno dati sperimentali. Infine il database è prodotto e viene fatta una validazione confrontando la simulazione di un ciclo motore e i valori misurati per lo stesso motore al banco di prova.