1D fluid dynamic modelling of SI engines : the tumble macro vortex model for in-cylinder turbulence prediction

Reducing emissions and improving fuel economy have a central role in the research field of internal combustion engines. For the complexity of the phenomena characterizing such machines, which could be analysed in detail only with experiments or 3D CFD, still too onerous in terms of computational cost to be frequently applied, their study has moved in the direction of 1D fluid dynamic modelling. Alongside solving opportunely simplified and discretized fluid dynamics governing equations with numerical schemes, computational models are integrated with 0D and QD models dedicated to the representation and prediction of some of the most crucial phenomena of the engine operation, as charge motion, combustion and wall heat transfer. SI engines require combustion involves a homogeneously mixed charge, able to burn rapidly and uniformly, to ensure low fuel consumption, high efficiency and low pollutant emissions. The in-cylinder mixing process is sustained by turbulence, in turn promoted by opportunely induced charge motions, among which tumble motion. A three-equation QD tumble macro vortex model, able to capture flow directionality, has been studied, presented, implemented in the source code of GASDYN (the 1D numerical simulation tool developed and used at the ICE group of the Energy Department of Politecnico di Milano), simulated and validated, in comparison with the original K-k model, a newly established four-equation (K-k-ε) 0D tumble-based model and 3D CFD data. Numerical simulations, carried out on a single engine, GSE-T3 of FCA Group, for three different rotational regimes, have proven the model predictability in terms of turbulence-related variables, above all turbulence intensity, while the representation of the tumble macro vortex evolution, especially at low regime, still requires validation.

La riduzione delle emissioni e il risparmio di carburante hanno un ruolo centrale nella ricerca sui motori a combustione interna. Vista la complessità dei fenomeni che li caratterizzano, analizzabili in dettaglio solo con campagne sperimentali o 3D CFD, oneroso in termini di costo computazionale per poter essere applicato con frequenza, il loro studio si è spostato nella direzione della modellazione fluidodinamica 1D. Oltre a risolvere le equazioni, opportunamente semplificate e discretizzate, governanti la fluidodinamica, con schemi numerici, i modelli computazioni sono integrati con modelli 0D e QD dedicati a rappresentazione e previsione di alcuni dei fenomeni più cruciali per il funzionamento del motore, come il moto di carica fresca, la combustione e lo scambio termico in parete. I motori ad accensione comandata richiamano una carica omogeneamente miscelata, in grado di bruciare rapidamente e uniformemente, garantendo un basso consumo di carburante, alta efficienza e basse emissioni di inquinanti. La miscelazione nel cilindro è sostenuta dalla turbolenza, promossa da movimenti di carica fresca opportunamente indotti, fra i quali il moto di tumble. Un modello QD, a tre equazioni, contemplante la direzionalità del macro vortice di tumble, è stato studiato, presentato, implementato nel codice sorgente di GASDYN (software di simulazione numerica 1D sviluppato e adoperato dal gruppo MCI del Dipartimento di Energia del Politecnico di Milano), simulato e validato rispetto al modello K-k originale, a un modello 0D a quattro equazioni (K-k-ε), basato sul moto di tumble e recentemente validato, e a dati 3D CFD. Le simulazioni numeriche, condotte su un singolo motore, GSE-T3 del gruppo FCA, per tre diversi regimi di rotazione, hanno provato la predicibilità del modello in merito alle variabili proprie della turbolenza, tra tutte l'intensità di turbolenza, mentre la rappresentazione del macro vortice di tumble, soprattutto a regimi “lenti”, necessita di ulteriore validazione.