3D CFD modelling of premixed combustion in natural gas SI engines

The main objective of this work is to develop a CFD methodology to model combustion process in premixed natural gas light-duty spark-ignition (SI) engines. A detailed description of all the processes that take place inside the combustion chamber is fundamental to obtain a stable and efficient combustion process and to guarantee control of pollutants formation. To this end, computational fluid dynamics simulations represents an efficient and powerful tool to study and understand the different phenomena involved as mixture ignition, laminar to turbulent transition, fully turbulent combustion and pollutant formation. CFD simulations were run using the open-source software OpenFOAM extsuperscript{ extregistered} coupled with the Lib-ICE code, which is a set of libraries developed by the Internal Combustion Engine Group of Politecnico di Milano, and using the RANS turbulence approach. In the proposed comprehensive methodology a simplified deposition model was chosen to describe the ignition process. The turbulent flame propagation is reproduced by means of regress variable and flame wrinkling factor, following the Flame Area Model proposed by Weller. Laminar to turbulent flame transition instead is modeled using Herweg and Maly formulation coupled with a zero-dimensional flame kernel radius evolution. Burnt gases chemical composition are estimated considering two different approaches, one based on tabulated kinetics and the other on chemical equilibrium. First, the combustion methodology was applied and validated on a premixed stoichiometric turbulent methane flame using experimental data on a piloted Bunsen burner and using two different formulations for the flame wrinkling factor. Then, the validation of the combustion model was performed using experimental data provided by Empa, the Swiss Federal Laboratories for Material Science and Technology, of a light duty SI engine fueled with natural gas. Two-dimensional simulations were run in order to perform a first assessment of the combustion model at different engine loads and speeds. Finally, the proposed methodology was used to study the influence of piston bowl geometry on turbulence distribution and consequently on combustion process, using the full 3D geometry.

Il principale obiettivo di questo lavoro è lo sviluppo di una metodologia CFD per modellare il processo di combustione all'interno di motori ad accensione comandata per veicoli leggeri alimentati con gas naturale. Una descrizione dettagliata di tutti i processi che avvengono all’interno della camera di combustione è fondamentale per ottenere una combustione stabile ed efficiente e per garantire il controllo sulla formazione degli inquinanti. A questo fine, la fluidodinamica computazionale rappresenta uno strumento efficiente e importante per lo studio e la comprensione dei diversi fenomeni coinvolti come l’accensione della miscela, la transizione laminare turbolenta, la combustione completamente turbolenta e la formazione degli inquinanti. Le simulazioni CFD sono state svolte utilizzando il software open-source OpenFOAM insieme al codice Lib-ICE, una serie di libreria sviluppate dal gruppo di motori ICE Group del Politecnico di Milano, e utilizzando l’approccio RANS per la modellazione della turbolenza. Nella metodologia proposta è stato utilizzato un semplice modello di deposizione per descrivere il fenomeno di accensione della miscela. Lo sviluppo turbolento della fiamma è descritto attraverso l’utilizzo di una variabile di regressione e del fattore di corrugazione del fronte di fiamma, seguendo il modello di Flame Area proposto da Weller. La transizione laminare turbolenta invece viene modellata utilizzando la formulazione proposta da Herweg e Maly, accoppiata ad un’evoluzione del raggio di nucleo di fiamma zero-dimensionale. La composizione dei gas combusti viene stimata attraverso due approcci: uno basato sulla cinetica tabulata e l’altro sull’equilibrio chimico. Inizialmente, la metodologia è stata applicata su una fiamma stechiometrica premiscelata di metano e validata utilizzando i dati sperimentali di un bruciatore Bunsen, utilizzando due diverse formulazioni per il fattore di corrugazione di fiamma. Successivamente, la validazione del modello di combustione è stata realizzata utilizzando i dati sperimentali forniti da EMPA, il Laboratorio Federale Svizzero per la Scienza e la Tecnologia, di un motore ad accensione comandata alimentato a gas naturale. Inizialmente sono state svolte simulazioni 2D per ottenere una prima validazione del modello di combustione a diversi carichi motore e velocità di rotazione. Per ultimo, la metodologia proposta è stata utilizzata per studiare l’influenza della geometria dei pistoni sulla distribuzione della turbolenza in camera di combustione e, di conseguenza, sul processo di combustione, utilizzando la geometria 3D completa.