Numerical investigation on the influence of piston head geometry and injection parameters on HCCI and TCRCI combustion modes

This thesis work is focused on the numerical study of the advanced combustion modes of Internal Combustion Engines, with particular attention on Temperature Controlled Reactivity Compression Ignition (TCRCI) and Homogeneous Charge Compression Ignition (HCCI) combustion modes. The first objective is to validate the numerical model developed for HCCI and TCRCI combustion modes by the ICE group of Polimi thanks to a set of experimental operating conditions provided by the industrial partner Marmotors s.r.l. . This step is particularly important since it helps the industrial company to understand the evolution of the combustion process inside the engine and allows to rely on the CFD simulations in the development of these combustion modes. A preliminary analysis on the engine parameters of the experimental operating conditions has been conducted to verify their accuracy. This is necessary to correctly set the initial conditions of the simulations. Once the reliability of the experimental parameters has been ascertained, the operating points have been simulated and their results compared with the experimental ones to validate the numerical model. The influence of the piston head geometry on the combustion processes has been investigated. This study provides the basis to manufacture an optimized piston head for the test bench engine of the industrial company since it has operated with the conventional Diesel piston up to now, which is not optimized for these new combustion modes. Lastly, the influence of the injection strategy on the TCRCI combustion process has been investigated to define an effective engine control parameter and to understand the effects of the supercritical injection. The simulations have been performed on an OpenFoam library developed by the ICE group of Polimi called LibICE. All the experimental results have been provided by Marmotors s.r.l. and they derive from a test bench based on a retrofit of a 4 cylinder 2.0l MultiJet engine able to operate both in HCCI and TCRCI conditions.

Questa tesi approfondisce tramite simulazioni CFD 3D le modalità avanzate di combustione a bassa temperatura nei motori a Combustione Interna, con peculiare attenzione alla nuova tecnologia di combustione a iniezione diretta di combustibile preriscaldato denominata Temperature Controlled Reactivity Compression Ignition (TCRCI) e alla tecnologia Homogeneous Charge Compression Ignition (HCCI). In primo luogo sono stati validati i modelli di combustione sviluppati dal gruppo di Motori a combustione interna del Politecnico di Milano attraverso un set di dati sperimentali forniti dall’ azienda Marmotors s.r.l. . Una volta validati i modelli numerici, è stato condotto uno studio sull’ influenza della geometria della camera di combustione su questi particolari tipi di combustione, al fine di fornire una base per progettare un nuovo pistone ottimizzato per queste applicazioni. Infine, è stato approfondito l’effetto della strategia di iniezione diretta e della temperatura del combustibile sulla combustione TCRCI. Il software utilizzato per le simulazioni è una libreria di OpenFoam sviluppata dal gruppo di motori del Polimi chiamata LibICE. I dati sperimentali sono stati forniti dal partner industriale (Marmotors s.r.l.) e derivano da un banco prova basato su un motore FCA 2.0l diesel, il quale è stato modificato per permettere a un cilindro di performare le combustioni di tipo HCCI e TCRCI.