Assessment of an advanced thermo-fluid dynamic for the prediction of perfomances and pollutant emissions of CI engines

This Thesis work focuses on the modelling of a six-cylinder 11000 cm3 Heavy-Duty Diesel en gine, developed by FPT, belonging to the ”Cursor” family. The final objective of this work is to create, test and validate a steady-state simulation model of an internal combustion engine that allows the prediction of performance and relative NOx emissions. The approach adopted involves the use of a numerical scheme capable of describing the evolution of the fuel jet in side the combustion chamber, assuming its chemical-physical properties to be one-dimensional in nature (axial-symmetric condition). The two-dimensional nature is obtained by means of probability density functions which describe the radial evolution of the jet itself. The model also analyses all the processes occurring in the combustion chamber, e.g. interaction of the fuel with the cylinder walls of a fluid-dynamic nature, evaporation of the liquid of a physical nature, ignition delay, the combustion process, and the formation of NOx of a chemical nature. The use of gasdyn, a CFD software based on one-dimensional models, made it possible to recon struct the scheme of the engine under study by means of cyclic convergence analysis of certain points on its operating map. The pressure traces measured experimentally inside the cylinders were needed to study the combustion model. With these, an energy balance was defined inside the cylinder and the coefficients of the Woschni model were calibrated to calculate the thermal losses from the walls. The experimentally obtained BMEP parameters were needed to go on to determine the amount of fuel injected in the numerical scheme, through a feedback system that directly controls this value. In addition, BMEP was applied to calibrate the coefficients of the Millington-Hartles friction model in order to obtain the same amounts of IMEP. The introduction of other feedback systems allowed other experimental parameters to be controlled, including boost pressure for the turbocharger, temperature of fresh air in the inter-cooler valley intake ducts, percentage of exhaust gas reintroduced at intake, and exhaust gas temperature at intake. The work mainly focuses on comparing numerical data with experimental values of the ther modynamic parameters of pressure and heat release, of the main performance indices of an internal combustion engine, such as the indicated work and the actual average consumption, and of nitrogen oxide emissions, expressed in parts per million. Other post-processing analyses were performed to assess computational and fluid dynamic aspects. The results obtained for the Diesel vehicle were critically compared, highlighting in particular the positive aspects and the discordances that emerged from these graphs.

Questo lavoro di Tesi si concentra sulla modellazione di un motore Diesel Heavy-Duty da 11000 cm3 sei cilindri, sviluppato da FPT, appartenente alla famiglia di prodotti “Cursor”. L’obiettivo finale del presente lavoro `e quello di creare, testare e validare un modello di simulazione in con dizioni stazionarie di un motore a combustione interna che permette di predire le performance e le relative emissioni di NOx . L’approccio adottato prevede l’utilizzo di uno schema numerico in grado di descrivere l’evoluzione del getto di combustibile all’interno della camera di com bustione, assumendo le sue propriet`a chimico-fisiche di natura monodimensionale (condizione di assial-simmetria). La natura bidimensionale viene ottenuta attraverso delle funzioni di den sit`a di probabilit`a che ne descrivono l’andamento radiale del getto stesso. Il modello inoltre analizza tutti i processi che si verificano in camera di combustione, ad esempio l’interazione del combustibile con le pareti del cilindro di natura fluidodinamica, l’evaporazione del liquido di natura fisica, il ritardo all’accensione, il processo di combustione, la formazione di NOx di natura chimica. L’utilizzo di gasdyn, un software di CFD basato su modelli mono-dimensionali, ha permesso di ricostruire lo schema del motore oggetto di studio, attraverso l’analisi ciclica a convergenza di alcuni punti della sua mappa operativa. Le tracce di pressione misurate sperimentalmente all’interno dei cilindri sono state necessarie per lo studio del modello di combustione. Con questi si `e definito un bilancio energetico all’interno del cilindro e, tarando i coefficienti del modello di Woschni per il calcolo delle perdite termiche dalle pareti. I parametri di BMEP ottenuti sperimentalmente sono stati necessari per andare a determinare la quantit`a di combustibile ini ettata nello schema numerico, attraverso un sistema in retroazione che controlla direttamente tale valore. Inoltre, la BMEP `e stata applicata per tarare i coefficienti del modello di attrito Millington-Hartles allo scopo di ottenere le stesse quantit`a di IMEP. L’introduzione di altri sis temi in retroazione ha permesso il controllo di altri parametri sperimentali, tra cui la pressione di boost per il turbocompressore, la temperatura dell’aria fresca nei condotti di aspirazione valle Inter-cooler, percentuale di gas di scarico reintrodotti all’aspirazioni, e la temperatura dei gas di scarico all’aspirazione. Il lavoro si concentra principalmente sul confronto tra i dati numerici e i valori sperimentali dei parametri termodinamici di pressione e di rilascio del calore, dei maggiori indici di performance di un motore a combustione interna, come ad esempio il lavoro indicato e il consumo medio effettivo, e di emissioni di ossidi di azoto, espressi in parti per milione. Altre analisi di post processing sono state eseguite per valutare aspetti di natura computazione e fluidodinamica. I risultati ottenuti per il veicolo Diesel sono stati confrontati criticamente, evidenziando in modo particolare gli aspetti positivi e le discordanze che sono emerse dai grafici in questione.