CFD study of the intake process in a medium-duty natural gas engine

The charge flow characteristic has a major influence over the efficiency of an engine, since the generated whirling motions allow to achieve a homogenized air-fuel mixing and promote the combustion in its primal development, thus leading to a low pollutant production during the engine working cycle. For this reason, in this thesis work computational fluid dynamics (CFD) techniques were used with the aim of studying the flow field evolution and the gas exchange process of an internal combustion engine which is object of research. The CFD analysis was carried out with OpenFOAM®, an open source software, and LibICE, a set of additional libraries specifically developed for engine simulations. The adopted modelling framework has covered every step, starting from pre-processing (STL work out and mesh generation) and ending with post-processing, necessary for the assessing of results with the available data which, in lack of experimental tests, came from one-dimensional simulations performed through the commercial software GT-POWER. The matching of the results shows that OpenFOAM® is a valid option when complex multi-dimensional fluid-dynamic problems need to be studied since it provides fast and accurate solutions, resulting in a competitive tool for industrial applications.

Le caratteristiche del moto della carica nel cilindro esercitano una grande influenza sull'efficienza del motore, dato che i moti vorticosi che si sviluppano permettono di ottenere una miscela aria-combustibile omogenea e promuovono la combustione all'inizio del suo sviluppo. In questa tesi, delle analisi fluidodinamiche (CFD) sono state condotte allo scopo di studiare l'evoluzione del campo di moto e lo scambio di gas relativi ad un motore a combustione interna. Le analisi CFD sono state svolte mediante OpenFOAM®, un software open source, e la LibICE, un set di librerie addizionali sviluppate specificamente per le simulazioni di motori. Il lavoro di modellazione effettuato ha coperto ogni step, partendo dal pre-processing (lavorazione dei file STL e generazione della mesh) e finendo con il post processing, necessario per validare i risultati con i dati disponibili che, in mancanza di test sperimentali, vengono da simulazioni mono-dimensionali eseguite tramite il software commerciale GT-POWER. Il matching dei risultati mostra che OpenFOAM® è una valida opzione a livello industriale quando complessi problemi fluidodinamici devono essere studiati, dato che è in grado di fornire soluzioni accurate in tempi brevi.