CFD study on knocking phenomenon for a natural gas powered heavy duty engine

This thesis work studies knocking phenomenon of a heavy duty spark ignition engine powered with natural gas. Aim of the work is the development of a methodology able to detect knock through a computational fluid dynamic analysis (CFD) of the combustion process. Program used for combustion process simulations is OpenFOAM with particular reference with LibICE, a library developed by Politecnico di Milano energy department. After simulation set up description, first work phase is focused on solver validation to evaluate computed results in reference with experimental data available. Then through a spark sweep analysis, solver parameters able to describe knock occurrence and characteristics are analysed. Hence in the first part of the thesis, knock is studied referring to average cycle. Each engine is characterized by cyclic variability, a phenomenon that limits engine performances. Ciclic variability is strictly related with knocking phenomenon because its occurrence is more probable in fastest combustion processes where higher pressure and temperature values are reached. Hence, a model to evaluate ciclic variability is needed to correctly describe knocking phenomenon. In this work a procedure to model engine cyclic variability is introduced. The procedure is based on the combination of a correlation able to evaluate coefficient of variance of maximum pressure (CoVPmax), with combustion process parameters perturbation that can increase or decrease combustion process respect to the average one. In particular the proposed method is able to compute extreme engine cycles of engine operating conditions. Thanks to this ciclic variability model, knock detection analysis moves from the average to individual cycles study, particularly on those cycles with combustion speed, maximum temperature and pressure higher than the average one. Here the work novelty: knock is no more studied referring to average cycle but referring to individual cycles. In the end a statistical model to predict knocking cycles number of any engine operating condition is developed.

Questo lavoro studia il fenomeno della detonazione in un motore Otto ad accensione comandata e alimentato con gas naturale. L’obiettivo è l’impostazione di una metodologia che permetta la valutazione e la previsione della detonazione del motore attraverso un’analisi computazionale fluidodinamica (CFD) del processo di combustione. Il programma utilizzato per le simulazioni del processo di combustione è OpenFOAM facendo in particolare riferimento alla libreria LibICE, prodotta e sviluppata dal dipartimento di energia del Politecnico di Milano. Dopo la determinazione e la descrizione del set up delle simulazioni, la prima parte del lavoro si concentra sulla validazione del risolutore con l’obiettivo di verificare la validità dei risultati numerici ottenuti rispetto ai dati sperimentali a disposizione. Successivamente, attraverso un’anticipazione progressiva dell’istante di accensione e del conseguente avvio della combustione, viene analizzata la detonazione con particolare interesse alla determinazione di quali siano i parametri del solutore più significativi per la valutazione delle sue proprietà. Nella prima parte del lavoro dunque, la detonazione viene studiata in riferimento al ciclo medio. Qualsiasi motore è però soggetto al problema della variazione ciclica che comporta una forte limitazione dal punto di vista delle performance del motore. La variabilità ciclica è un fenomeno importante e strettamente legato alla detonazione che solitamente avviene nei cicli caratterizzati dalle maggiori velocità di combustione e di conseguenza dai valori di pressione e temperatura più elevati. Per descrivere correttamente la detonazione risulta dunque necessario un modello che sia in grado di simulare la dispersione ciclica del motore. In questo lavoro viene proposta una strategia e una procedura per modellare la dispersione ciclica del motore. Il metodo si basa sulla combinazione di una correlazione in grado di prevedere il coefficiente di variazione della pressione massima nel cilindro (CoVPmax), con la perturbazione di alcuni parametri caratteristici del processo di combustione che all’occorrenza rendono il ciclo più rapido o lento rispetto quello medio. In particolare il metodo proposto è in grado di determinare con buona approssimazione i cicli estremi che caratterizzano la variazione ciclica del motore in qualsiasi condizione di funzionamento. Attraverso il modello di variazione ciclica, lo studio per la previsione della detonazione non viene più effettuato sullo studio del ciclo medio ma sui cicli caratterizzati da un processo di combustione più veloce e dunqe da livelli di pressione e temperatura più elevati. Da qui la novità di questo lavoro che, per studiare e prevedere la detonazione del motore, non guarda più al ciclo medio ma ai cicli singoli. Sulla base dei risultati ottenuti viene infine introdotto un modello statistico che permette di valutare la percentuale di cicli detonanti in riferimento alla condizione di funzionamento a cui è soggetto il motore.