CFD analysis of a motorbike SI engine equipped with a passive pre-chamber

The complete abatement of carbon dioxide and pollutants emissions on motorcycle spark-ignition (SI) engines is a challenging topic, considering the small size, the low cost and the high power-to-weight ratio required by the market of such powertrain. In this context, the Turbulent Jet Ignition (TJI) technology is an attractive solution. The air-fuel mixture is ignited inside a small volume, called pre-chamber, which releases high-velocity jets of burned gases to the main combustion chamber. This allows to significantly speed-up the combustion process of the closed-valves domain, opening to the possibility of increasing the engine efficiency without penalizing the peak performances. In this thesis, a numerical CFD investigation was carried out on a motorbike SI engine equipped with a passive TJI configuration. The initial part of the thesis work concerned the generation of the fluid domain mesh. The mesh was created such to have a sufficiently fine volume discretization for obtaining accurate results, but at the same time requiring a reasonable computational effort. The focus of the thesis was on the simulation of the gas exchange process in the engine, with specific care given to the flow behaviour inside the pre-chamber and its interaction with the main chamber. An extensive analysis of the trends of the various flow quantities was performed, proving that the simulation results are realistic and consistent with the available experimental data, hence demonstrating the good quality of the numerical setup used. Reliable results of the cold-flow analysis were considered as the essential prerequisite for a proper initialisation of the subsequent power-cycle simulation. The pre-chamber filling and combustion phases were analysed, showing the dependency of the hot gas ejection process from the flow field inside the pre-chamber. Promising results were obtained also from the simulation of the combustion process, but further investigations are necessary to better understand what caused the discrepancies between numerical and experimental results.

Il completo abbattimento delle emissioni di anidride carbonica e sostanze inquinanti è un tema particolarmente sfidante per i motori motociclistici, considerando la loro piccola taglia, il basso costo e l'elevato rapporto potenza-peso che il mercato richiede per questo tipo di propulsori. In questo contesto, la tecnologia Turbulent Jet Ignition (TJI) è una soluzione attraente. La miscela aria-carburante viene accesa all'interno di un piccolo volume, chiamato pre-camera, che causa il rilascio di getti di gas combusti ad alta velocità nella camera principale. Questo permette di aumentare notevolmente la velocità di combustione nel cilindro, aprendo alla possibilità di un miglioramento del rendimento del motore senza penalizzarne le prestazioni. In questa tesi è stata svolta un'investigazione numerica di CFD su un motore ad accensione comandata di una moto, equipaggiato con una tecnologia TJI nella sua configurazione passiva. La parte iniziale di questo lavoro di tesi ha riguardato la generazione della mesh del dominio fluido. La mesh è stata creata in modo da avere un volume con una discretizzazione sufficientemente fine per ottenere risultati accurati, ma allo stesso tempo che richiedesse un tempo computazionale ragionevole. La tesi è stata incentrata principalmente sulla simulazione di ricambio fluido nel motore, con un occhio di riguardo per il comportamento del flusso all'interno della pre-camera e la sua interazione con la camera principale. É stata condotta un'estesa analisi dell'andamento delle varie quantità che caratterizzano il flusso, provando che i risultati della simulazione sono realistici e consistenti rispetto ai dati sperimentali a disposizione, dimostrando quindi la buona qualità del setup numerico utilizzato. Risultati affidabili dell'analisi di ricambio fluido sono stati considerati come un prerequisito essenziale per una corretta inizializzazione della seguente simulazione del ciclo attivo. Sono state analizzate le fasi di riempimento e combustione in pre-camera, mostrando la dipendenza del processo di espulsione dei gas dal campo di moto nella pre-camera. Sono stati ottenuti risultati promettenti anche dalla simulazione del processo di combustione, ma ulteriori investigazioni sono necessarie per una migliore comprensione delle cause della discrepanza tra risultati numerici e sperimentali.