CFD modeling of gas exchange and mixture formation in spark-ignition engines

The analysis of the in-cylinder charge motion plays an important role in determining the performances of an internal combustion engine. The distribution of the flow fields inside the cylinder influences the air/fuel mixing process, the heat transfer and the pollutants formation. In the last decades the use of CFD (Computational Fluid Dynamics) allowed to perform numerous analysis of the in-cylinder flow fields reducing the costs for experiments, new designs and lead times. The aim of this work is to validate an automatic meshing procedure and a numerical methodology for the analysis of gas-exchange and injection processes, both implemented in the Lib-ICE library, a code based on OpenFOAM environment, developed by ICE group from Politecnico di Milano. The simulations are carried out on a direct injection, Hydrogen-fueled engine and the computed results are validated with measurements coming from the Engine Combustion Network. A first analysis without the Hydrogen injection is carried out to investigate the capability to predict the motion of the charge inside the cylinder. A second analysis is performed introducing the fuel injection with the aim of testing the solver capability to capture the interactions between the gaseous fuel jet and the in-cylinder charge. The knowledge acquired provides the guidelines to extend the validation of the methodology on a high-performance industrial PFI engine. A cold-flow, full-cycle analysis is carried out and the results are compared with a 1D simulation provided by HPE COXA, the partner company for this part of work. A detailed analysis of the in-cylinder flow evolution is performed, highlighting the distribution of the velocity field and turbulence during the intake and compression phases. A comparison between the tumble structures inside the two different engines is finally accomplished.

L’analisi del moto della carica è essenziale nel determinare le prestazioni di un motore a combustione interna. La distribuzione della carica nel cilindro ha un notevole impatto sulla miscelazione tra aria e combustibile, sullo scambio termico e sulla formazione degli inquinanti. Con l’avvento della CFD è stato possibile studiare l’evoluzione di tali moti, riducendo i costi per lo sviluppo e le attività sperimentali. Si propone la validazione di una metodologia automatica di generazione della mesh e risoluzione numerica per l’analisi dei processi di iniezione e di ricambio della carica, implementata nella libreria Lib-ICE, basata su OpenFOAM e creata dall’ICE Group del Politecnico di Milano. Le simulazioni sono eseguite su un motore ottico alimentato ad idrogeno, caratterizzato dall’iniezione diretta di combustibile gassoso. La validazione della metodologia è fatta confrontando i risultati delle simulazioni con le misurazioni messe a disposizione dall’ Engine Combustion Network. Una prima analisi esclude l’iniezione di idrogeno per focalizzarsi sulla capacità del metodo proposto di prevedere correttamente i moti della carica nel cilindro. Una seconda analisi invece introduce l’iniezione di combustibile con lo scopo di validare la capacità di prevedere l’interazione tra il getto supersonico di combustibile gassoso e la carica nel cilindro. La validazione viene eseguita successivamente su un motore industriale ad iniezione indiretta per applicazioni motociclistiche. Si effettua una simulazione full-cycle di ricambio della carica ed i risultati sono confrontati con i dati 1D forniti da HPE COXA, azienda partner durante questa parte di lavoro. Attraverso un’analisi dettagliata si evidenziano le distribuzioni dei campi di velocità e di turbolenza nel cilindro durante le fasi di aspirazione e compressione. Si propone infine un confronto sulla generazione del moto di tumble all’interno dei due motori studiati.