Numerical investigation of ducted fuel injection with tabulated kinetics

In this thesis work, a Computational Fluid Dynamic (CFD) approach was chosen to perform a study on a new technology called Ducted Fuel Injection (DFI), that has been developed with the purpose to reduce Soot production emitted by Diesel engines or Compression Ignition (CI) engines. The DFI could radically change how CI are perceived, due to the fact that, from laboratory tests conducted in a Constant Volume Combustion Vessel (CVCV) and in optical engines, it seems to drastically reduce the Soot emissions up to 90%. In fact, Particulate Matter and Nitrogen Oxides (NOx) represent the main dangerous pollutants emitted by Diesel engines. CFD was adopted to analyse this problem because nowadays it represents one of the main tool adopted in technical and engineering problems, reducing laboratory tests, limiting the capital expenditures and the time required for the design and the production of new engines (for example). The objective is to validate some experimental results achieved in a Constant Volume Combustion Vessel (CVCV). As first approach, the setup is validated trying to understand the air-fuel mixing process, and in a second step also the available combustion models are tested, trying to understand if it is possible to represent numerically the reacting experimental results. In the first part of this work an overview of Internal Combustion Engines (ICE) is described, with a major focus on CI engines, presenting their advantages and disadvantages. Then a brief description of CFD equations and models utilised in this thesis is shown, trying to understand in particular how the Soot and the combustion models are implemented. For the CVCV simulations, particular meshes was utilised, in order to obtain precise results but limiting the computational costs; and in particular, the following open-source codes were utilised: blockMesh, snappyHexMesh and extrudeMesh. In the last chapter the main results are described and discussed both for the non-reacting and the reacting case; in particular for this latter two different O2 fraction are tested that are 21% and 15%, with particular interest in the last one, due to the fact that having such oxygen fraction means to have a 30% EGR, giving the chance to further abate the NOx production.

In questo lavoro di tesi, attraverso l’impiego della Fluido Dinamica Computazionale (CFD), è stato eseguito lo studio di una nuova tecnologia, chiamata Ducted Fuel Injection (DFI), che ha lo scopo di ridurre il particolato (Soot) emesso dai motori Diesel o Compression Ignition (CI) engines. La DFI infatti potrebbe rivoluzionare come i CI sono percepiti, dato che, dai test eseguiti in laboratorio sia in camera di combustione a volume costante (CVCV) che in motore ottico, sembrerebbe ridurre il particolato emesso anche del 90% che, assieme agli NOx, rappresentano i loro principali inquinanti. E’ stato scelto di utilizzare la CFD per affrontare questo problema, dato che oggigiorno rappresenta uno dei principali strumenti per risolvere problemi di natura tecnico/ingegneristica, andando a ridurre le prove in laboratorio, limitando quindi i costi e i tempi nella progettazione e realizzazione di nuovi motori (per esempio). Con queste premesse, è stato posto l’obiettivo di validare dei dati sperimentali ottenuti in una CVCV pubblicati in diversi articoli, cercando dapprima di validare il setup di partenza, di capire quindi il processo di miscelazione aria-combustibile, e solo successivamente abbiamo testato i modelli di combustione disponibili per cercare di capire quanto, allo stato attuale, si è in grado di descrivere da un punto di vista numerico i dati disponibili. Per prima cosa si andranno quindi a descrivere i motori a combustione interna (ICE), in particolar modo i Diesel, andandone ad evidenziare le potenzialità e criticità. Successivamente si potranno trovare descritte le principali equazioni che governano le simulazioni CFD e i modelli scelti per descrivere la formazione di Soot e la combustione stessa. Riguardo alle simulazioni in CVCV è stato necessario generare delle mesh particolari che ci permettessero di ottenere risultati sufficientemente accurati ma che allo stesso tempo contenessero i costi computazionali. Per ottenere tali mesh sono stati utilizzati principalmente i codici open-source blockMesh, snappyHexMesh ed extrudeMesh. In fine, saranno mostrati i risultati ottenuti per il caso non reagente e reagente con differenti concentrazioni di O2, ovvero a 21% e 15%, con particolare attenzione a quest’ultima dato che una frazione tale di ossigeno corrisponde ad avere un EGR del 30% circa, che permetterebbe di ridurre ulteriormente gli NOx prodotti.