CFD full cycle analysis of a spark ignition engine at high part-load conditions

In the present thesis 3D computational fluid dynamics (CFD) technique has been used to analyse the fluid dynamic behaviour of a high specific power naturally aspirated engine for motorbike application, at strong part load conditions and low engine speed. The work covers a full cycle both with and without including the injection simulation; the combustion and the expansion phases were not part of the investigation. The study has been performed using the commercial CFD software AVL FIRE. Today the major challenges in the design of engines for high power motorbike applications are to reduce pollutant emissions while minimizing consumption without affecting performance. For these reasons has become essential to investigate also engine's operational points that were not studied in such detail before. To meet the mentioned requirements is fundamental to understand how turbulence is generated and determine the quality of the mixture in such critical conditions, featured by part load. Hence main targets of the investigation are mixture formation, tumble motion and turbulence generation. Moreover, the dynamic analysis has been carried out following two different approaches: the first assumes as working fluid an already homogeneous mixture while the latter considers ambient air and the port fuel injection simulation. The simulation which include the injection lend itself to a statistical analysis of the mixture during compression, with the aim to evaluate the quality of the air-fuel mixing process. Finally, a comparison between the two methodologies is accomplished.

Nella presente tesi è stato utilizzato il metodo della fluidodinamica computazionale 3D (CFD) per analizzare il comportamento fluidodinamico di un motore aspirato per applicazione motociclistica, caratterizzato da alta potenza specifica, in condizioni di forte parzializzazione e basso regime di rotazione. L'analisi, la quale riguarda un ciclo motore completo, viene svolta sia includendo che non includendo la simulazione dell'iniezione; le simulazioni di combustione ed espansione non sono oggetto dello studio. L'indagine è stata svolta utilizzando il software CFD commerciale AVL FIRE. Al giorno d'oggi le maggiori sfide nella progettazione di motori di alta potenza per applicazioni motociclistiche sono di ridurre le emissioni di inquinanti e i consumi senza intaccare le prestazioni. Per questi motivi è diventato essenziale indagare anche punti motore che non erano soggetti a tale dettaglio di studio in precedenza. Per raggiungere i sopra citati obiettivi è di fondamentale importanza capire, nelle particolari condizioni di carico parzializzato, come viene generata turbolenza e determinare la qualità della miscela. Di conseguenza i principali obiettivi dello studio sono l'indagine della formazione della miscela, il moto di tumble e la generazione di turbolenza. L'analisi dinamica è stata svolta considerando due diversi approcci: il primo assume come fluido di lavoro una miscela omogenea, mentre il secondo considera aria in condizioni ambiente e la simulazione dell'iniezizone (PFI). La simulazione che include l'iniezione si presta ad un'analisi statistica della miscela durante la fase di compressione, con l'obiettivo di valuatare la qualità del processo di misscelamento tra aria e benzina. Infine, viene svolto un confronto tra le due metodologie adottate.