A CFD methodology for the design of active prechambers in SI engines

Active prechamber spark-ignition (APCH-SI) engines are a feasible and effective solution in reducing fuel consumption and pollutant emissions for internal combustion engines (ICE), thanks to their capability in enhancing the lean combustion limit. However, reliable and low-cost numerical approaches need to be developed to support and speed-up their industrial design, considering their geometry complexity and the involved multiple flow length scales. In this work, a RANS-based CFD methodology is presented for the design of active prechambers (APCH) in SI engines. It consists into three different but connected steps. The first is characterized by a semi-automatic numerical routine, developed to allow a fast generation of any APCH geometry on the basis of the user preferences. The second step is characterized by non-reacting simulations of the flow evolution inside a constant-volume domain, including only the APCH geometry. This allows to simulate the APCH fuel direct injection without the need of a complete engine full-cycle analysis. Moreover, it enables to investigate the charge mixing process into APCH-only with low CPU costs. Therefore, in this work, different mesh resolutions and turbulence models are analyzed to find the best numerical setup. Then, variations in nozzles orientation and prechamber volume are tested to clarify their impact on the mixture distribution inside the APCH itself. The third and final step of the methodology involves the simulation of the power-cycle (compression, combustion and expansion) on the whole closed-valves domain (APCH and main chamber, i.e. MCH). A flame area evolution model is used to describe the flame propagation process. Experimental data from a research single-cylinder heavy-duty engine are used to assess the proposed methodology. Different operating conditions are considered, to evaluate the effects of the nozzles diameter, the MCH air/fuel ratio and the load variation. Additional investigations are also carried out to clarify the impact of the spark-timing calibration, the turbulence model correction for jet-penetrations, and the amount of fuel in both APCH and MCH. Results are satisfactory, demonstrating the reliability of the proposed methodology.

I motori ad accensione comandata (SI) a precamera attiva (APCH) rappresentano una soluzione efficace per ridurre il consumo di carburante e le emissioni per i motori a combustione interna, grazie alla possibilità di estendere il limite di combustione magro. Tuttavia, è necessario sviluppare approcci numerici validi per supportare e velocizzare la loro progettazione industriale, considerando la complessa geometria e le molteplici scale fluido-dinamiche coinvolte. Questo lavoro presenta una metodologia CFD basata sull'approccio RANS per la progettazione di APCH nei motori SI. Si compone di tre distinte fasi. La prima consiste in un codice numerico semiautomatico, sviluppato per generare rapidamente geometrie di APCH in base alle preferenze dell’utente. La seconda, è focalizzata sulle simulazioni non reagenti del fluido in un di volume costante, ovvero la sola geometria della APCH. Ciò permette di simulare l’iniezione del carburante nella APCH senza bisogno di utilizzare simulazioni full-cycle del motore. Inoltre, consente di studiare il processo di miscelazione della carica nella sola APCH, con un basso sforzo computazionale. In questo lavoro vengono analizzate diverse rifiniture della mesh e modelli di turbolenza per trovare il miglior setup numerico. Quindi, variazioni dell'orientazione degli ugelli e del volume della precamera vengono testate per chiarire il loro impatto sulla distribuzione della miscela all'interno del dominio. Il terzo e ultimo passaggio della metodologia prevede la simulazione del ciclo di potenza (compressione, combustione ed espansione) sull'intero dominio a valvole chiuse (APCH e camera principale, i.e. MCH). Un modello di evoluzione dell'area della fiamma è stato scelto per descrivere il processo di propagazione della fiamma. Dati sperimentali di un motore di ricerca monocilindrico heavy-duty vengono utilizzati per verificare la metodologia proposta. Sono considerate differenti condizioni operative, per valutare l’effetto del diametro degli ugelli, il rapporto aria/carburante nella MCH e la variazione del carico. Vengono inoltre effettuate indagini per sull’accensione della scintilla, sul modello di turbolenza e sula quantità di carburante sia in APCH che in MCH. I risultati sono soddisfacenti, dimostrando l'affidabilità della metodologia proposta.