CFD cold flow full cycle simulation with spray targeting analysis in a GDI engine

In this thesis, fluid dynamic modelling (CFD) techniques have been used to analyze the behaviour of a direct injection engine cold flow cycle for a small automotive application. Analysis of the combustion and the expansion phases was not part of the study. The study has been performed using OpenFOAM, an open source code, coupled with a specific library created by the Internal Combustion Engine Group of the Politecnico di Milano. The focus has been the detailed analysis of the engine's flow field, looking at the main aspects influencing the interaction between the gas phase and fuel liquid injection. The major challenges of the current automotive industry are to reduce pollutant emissions while minimizing consumption without affecting performance. Specific attention was on factors influencing the correct formation and preparation of air and fuel mixture which is an essential task to achieve optimal combustion quality. These topics were treated by analyzing the effects related to the direction and geometry of the fuel spray with specific insights on the formation of liquid deposit on the combustion chamber walls. Liquid film presence can lead to diffusive combustion which is considered the mayor responsible for particulate emissions in direct injection engines. Since the combustion chamber’s geometry has a great relevance during the engine’s design phase and influences internal flow motion development, the effect of a different piston shape was tested. The secondary breakup model calibration and the characterization of the injector were performed on the basis of a previous validation campaign carried out by other researchers. In the final part of this work, by observing the results, an optimized set up for the initialization of the backflow mixture, has been tested.

In questo lavoro di tesi sono state utilizzate tecniche di modellazione fluidodinamica (CFD) con l’obiettivo di modellizzare e analizzare il comportamento di un ciclo motore ad iniezione diretta per applicazione automobilistica di piccola cilindrata, escludendo dalla trattazione la fase di combustione e relativa fase utile. Il codice open source utilizzato per la risoluzione della fluidodinamica è OpenFOAM, ampliato ed adattato attraverso la specifica libreria realizzata all’ interno del Gruppo Motori del Politecnico Di Milano, sede stessa del lavoro di ricerca qui presentato. Attraverso uno studio approfondito del campo di moto si sono voluti indagare gli aspetti salienti che influenzano l’interazione tra flusso di gas freschi e combustibile iniettato. Poiché una delle maggiori sfide dell’attuale industria automobilistica è quella di ridurre le emissioni inquinanti e minimizzare i consumi senza penalizzare le performance, sono stati analizzati i fattori che influenzano la corretta formazione della miscela di combustibile e comburente in camera. È stata posta particolare attenzione allo studio degli effetti correlati al direzionamento e alla geometria del getto di combustibile iniettato, alla preparazione della miscela e alla formazione di deposito liquido sulle pareti interne della camera di combustione. Il deposito liquido sulle pareti interne al motore infatti, in quanto affetto da combustione di tipo diffusiva, e’ ritenuto primo responsabile dell’emissione di particolato nei moderni motori ad iniezione diretta. Poiché scegliere la corretta geometria della camera di combustione è di primaria importanza durante la fase di progettazione di un motore endotermico, si è cercato di indagare l’effetto della conformazione del cielo del pistone e la sua incidenza nell’evoluzione dei moti turbolenti interni. I modelli relativi alla caratterizzazione dell’ iniezione sono stati implementati sulla base di precedenti validazioni effettuate da altri ricercatori dello stesso gruppo universitario. Osservando i risultati ottenuti si è poi deciso di condurre un’analisi riguardante l’ ottimizzazione delle condizioni di inizializzazione della miscela di rifiuto per la simulazione di cicli motore ad iniezione diretta.