Modeling injection rate from experimental data for CFD simulations of combustion in Diesel engines

In the frame of Computational Fluid Dynamic (CFD) combustion simulations of compression ignition engines the challenging targets for engine performance and emissions call for increasingly accurate computational models and boundary conditions. This thesis specifically addresses the setup of internal combustion engines simulations performed with Lib-ICE using OpenFOAM. Among the boundary conditions that are required to initialize a simulation, the mass flow rate of fuel entering the combustion chamber is one of the most important for compression ignition engines. The injection rate is the energy input in the system and it is used to control the engine operation since the engine load is varied just varying the amount of injected fuel in the chamber. The fuel injection strategy adopted is also very important for pollutant emissions control and engine efficiency. The present work has been carried out at Fiat Powertrain Technologies (FPT) in Arbon (Switzerland) with the support of the Fuel Injection Laboratory. It focuses on the development of a Python tool that can be used to evaluate injection rates starting from user specified operating conditions. The tool uses as input data the experimental measurements coming from a dedicated injector test rig. The advantage of the tool is that it only requires a limited number of experiments for each injector for its hydraulic characterization. Once these measurements are available, the tool can be used to generate injection rates for that specific injector for any engine working condition. This provides freedom to the Lib-ICE users to autonomously set up many simulation cases for combustion monitoring or optimization purposes. After a brief introduction on the heavy-duty compression ignition engines scenario, the Representative Interactive Flamelet (RIF) combustion model is presented. Since it is not possible to measure the fuel injection rate directly on the engine, a dedicated experimental test rig is required. This test rig was made available and operated by the FPT Fuel Injection Laboratory that performed all the injection rate measurements shown throughout the thesis. The features of the fuel injection system and the issues related to fuel injection rate measurement are presented focusing on the uncertainties that affect the injection process on a real heavy-duty Diesel engine. To cast some light on this process a dedicated sensor was installed on the injector to measure the needle displacement during the engine and the test rig operation. This allowed to consistently correlate the test rig measurements and the engine operation. To evaluate and interpret the injection mechanisms the previously available Python code has been revisited and integrated with additional features. These features and their capabilities are presented together with their implementation, which include the test rig raw data processing, injection rate interpolation and injection duration evaluation from the needle lift signal. Several experimental measurements were performed on the FPT CURSOR 11 heavy-duty engine varying only one or a few specific parameters at a time to validate the code. Finally, the Python tool was applied to estimate the injection rate of 18 engine operating points which were then simulated using Lib-ICE. A rather good agreement between computed and experimental data was achieved in terms of in-cylinder pressure, heat release rate and main pollutant emissions. This shows the importance of providing an accurate injection rate to correctly predict engine performance.

Nel contesto delle simulazioni di combustione CFD (Computational Fluid Dynamics) dei motori Diesel, la continua ricerca spinta all’incremento delle prestazioni e alla riduzione delle emissioni richiede l’utilizzo di modelli di calcolo e condizioni al contorno sempre più accurate. Questa tesi affronta in modo specifico il setup di simulazioni di motori a combustione interna eseguite con Lib-ICE utilizzando OpenFOAM. Una delle più importanti condizioni al contorno per inizializzare una simulazione nei motori ad accensione spontanea è la portata del carburante che entra nella camera di combustione. La legge di iniezione definisce come l’energia viene immessa nel sistema ed è utilizzata per controllare il funzionamento del motore dal momento che il carico di quest’ultimo varia proporzionalmente con la quantità di carburante iniettato nella camera di combustione. La strategia di iniezione del carburante è inoltre molto importante per il controllo delle emissioni inquinanti e per l'efficienza del motore. Il presente lavoro di tesi è stato svolto presso Fiat Powertrain Technologies (FPT) ad Arbon (Svizzera) con il supporto del Laboratorio di Iniezione di Carburante che all’interno di FPT si occupa specificatamente di queste tematiche. Il lavoro verte sullo sviluppo di un tool Python che può essere utilizzato per valutare la legge di iniezione a partire da condizioni operative specificate dall’utente. Il tool utilizza come dati in ingresso le misure sperimentali provenienti da un banco di prova dedicato allo studio degli iniettori. Il vantaggio del tool è che richiede un numero limitato di misure per effettuare la caratterizzazione del comportamento idraulico di un iniettore. Una volta che queste misure sono disponibili, il tool può essere usato per valutare le leggi di iniezione per quello specifico iniettore, per qualsiasi condizione operativa del motore. Ciò fornisce la libertà agli utenti Lib-ICE di impostare in modo autonomo le simulazioni necessarie per il monitoraggio della combustione o per scopi di ottimizzazione. Dopo una breve introduzione sulle caratteristiche e le problematiche generali dei motori Diesel per veicoli commerciali, viene presentato il modello di combustione RIF (Representative Interactive Flamelet). Poiché non è possibile misurare la legge di iniezione del carburante direttamente sul motore, è necessario disporre di un banco di prova sperimentale dedicato agli iniettori. Questo banco di prova è stato messo a disposizione e gestito dal Laboratorio di Iniezione del Carburante di FPT che ha eseguito tutte le misurazioni delle leggi di iniezione mostrate durante la tesi. Le caratteristiche del sistema di iniezione del carburante e le problematiche relative alla misurazione della legge di iniezione vengono presentate concentrandosi sulle incertezze che influenzano il processo di iniezione su un vero motore Diesel per veicoli commerciali. Per far luce su questo processo è stato installato un sensore dedicato sull'iniettore per misurare lo spostamento dello spillo sia durante il funzionamento del motore che sul banco di prova. Ciò ha permesso di correlare in modo coerente le misurazioni del banco di prova e il funzionamento del motore. Per valutare e interpretare i meccanismi di iniezione il precedente codice Python è stato rivisitato e integrato con funzionalità aggiuntive. Queste funzionalità sono presentate insieme alla loro implementazione, che include l'elaborazione dei dati provenienti dal banco di prova, l'interpolazione delle leggi di iniezione e la valutazione della durata dell'iniezione dal segnale di sollevamento dello spillo. Per validare il codice sono state eseguite varie prove sperimentali sul motore FPT CURSOR 11 variando solo uno o pochi parametri specifici alla volta. Infine, è stato applicato il tool Python per stimare la legge di iniezione di 18 punti operativi del motore che sono stati poi simulati utilizzando Lib-ICE. I risultati ottenuti dalle simulazioni sono in buon accordo con i dati sperimentali per quanto riguarda la pressione nel cilindro, la curva di rilascio del calore e le principali emissioni di inquinanti. Ciò dimostra quanto sia importante fornire una accurata legge di iniezione per prevedere correttamente le prestazioni del motore.