Prediction of performance and emissions of CI engines using an iso-equivalence ratio multi-zone model

In this thesis, a novel multi-zone quasi-dimensional model for the prediction of the combustion process in CI engines is developed and validated in constant vessel experiments and real cases conditions. The model is divided into two main parts: a zero-dimensional multi-zone thermo-dynamic sub-model to compute heterogeneous and global properties and a 1D spray sub-model for the estimation of the air-fuel charge distribution. The thermodynamic multi-zones are populated via the mass derived by the axisymmetric 2D reconstruction of the spray sub-model, whose charge stratification description has been validated against detailed CFD results of free jet experiments as well as in real-engine conditions and with wall interaction. The overall combustion process has been validated against experimental free jet observations at different ambient and operating conditions (nozzle diameter, ambient pressure, temperature, oxygen content, injection pressure, …) and versus a complete engine map of a heavy-duty diesel engine. The innovation of the model derives from the attempt to combine the phenomenological description of the spray and of the mixing process to compute heterogeneous CI combustion and formation of pollutants with the need of limiting the computational effort. Detailed chemical kinetics is embedded in the 1D spray model via the tabulated kinetics of ignition approach (TKI). This approach, usually limited to 3D-CFD codes, has been shown in this work to be a promising tool also in combination to a 1D spray description. Furthermore, the TKI approach enables a generic and easily extendable description of the injected fuel, which is of great interest for the application of the model to new fuel formulation (DME, OME, ammonia, hydrogen…). The cases studied have highlighted the potential of the model to successfully describe all the main mechanisms of the fuel injection process (vapor penetration vs experimental data and mixing vs CFD) and of the combustion process (ignition delay, flame lift-off length, AHHR, IMEP, cylinder pressure, NOx, BSFC) both in vessel experiments (free jet and with jet-wall interaction), in 4 different light- and heavy-duty engines and with different fuels (n-dodecane, commercial diesel, dimethyl-ether).

In questa tesi, viene sviluppato e validato un nuovo modello quasi-dimensionale multizona per la previsione del processo di combustione nei motori ad accensione. Il modello è diviso in due parti principali: un sotto-modello termodinamico multi-zona zero dimensionale per il calcolo delle proprietà eterogenee e globali e un sotto-modello di getto di combustibile monodimensionale per la stima della distribuzione della carica aria-carburante. Le multi-zone termodinamiche sono popolate tramite la massa derivata dalla ricostruzione 2D assial-simmetrica del sotto-modello di spray, la cui descrizione della stratificazione di carica è stata convalidata rispetto a risultati CFD dettagliati di esperimenti di getto libero, nonché in condizioni di motore reale e con interazione con le pareti . Il processo di combustione complessivo è stato convalidato rispetto a osservazioni sperimentali a getto libero in diverse condizioni ambientali e operative (diametro dell'ugello, pressione ambiente, temperatura, contenuto di ossigeno, pressione di iniezione, ...) e rispetto a mappe complete del motore di motori light- ed heavy-duty alimentati con diesel convenzionale e un e-fuel. L'innovazione del modello deriva dal tentativo di coniugare la descrizione fenomenologica dello spray e del processo di miscelazione per calcolare la combustione eterogenea tipica dei motori ad accensione spontanea e la formazione di inquinanti con la necessità di limitare lo sforzo computazionale. La cinetica chimica dettagliata è incorporata nel modello di getto 1D tramite l’approccio di cinetica tabulata di accensione (in inglese: tabulated kinetics of ignition o TKI). Questo approccio, solitamente limitato ai codici 3D-CFD, si è dimostrato in questo lavoro uno strumento promettente anche in combinazione con una descrizione dello spray 1D. Inoltre, l'approccio TKI consente una descrizione generica e facilmente estendibile del combustibile iniettato, che è di grande interesse per l'applicazione del modello a nuove formulazioni di carburante (DME, OME, ammoniaca, idrogeno…). I casi studiati hanno messo in luce le potenzialità del modello per descrivere con successo tutti i principali meccanismi del processo di iniezione di combustibile (penetrazione del getto vs dati sperimentali e miscelazione vs CFD) e del processo di combustione (ritardo di accensione, lunghezza di sollevamento della fiamma, AHHR, IMEP, picchi di pressione, NOx, BSFC) sia in esperimenti in bomba isocora (getto libero e con interazione getto-parete), che in 4 diversi motori light- e heavy-duty e con diversi combustibili (n-dodecano, diesel commerciale, dimetil-etere).