Validation of a 3D-CFD methodology for the gas-exchange simulation of four-stroke internal combustion engines

In the context of the energy transition imposed by the Paris Agreement’s goals, efforts in advancing the ICE technology are fundamental, considering the increasing interest in carbon-neutral and synthetic fuels like hydrogen and ammonia. Computational Fluid Dynamics (CFD) has evolved as a primary tool for ICE research and development. This thesis aims at validating a methodology for the simulation of the gas-exchange process in internal combustion engines (ICEs). The validation process of CFD studies involves comparing simulation results with experimental data, thereby ensuring model accuracy in capturing the complexities of the gas-exchange process, a critical phase influencing the engine efficiency and its emissions profile. In this study, simulations were carried out using LibICE, a library based on OpenFOAM and developed by the ICE group at Po- litecnico di Milano, specifically for internal combustion engine simulations. This library plays a pivotal role in enhancing the simulation capabilities of OpenFOAM for engine applications. The experimental setup involved the TCC-III engine, developed by the University of Michigan in collaboration with General Motors. This model allowed for detailed examination of in-cylinder flow. The data available for the TCC-III are obtained with PIV and other methods, enabling direct comparison between CFD simulations and experimental measurements. The study relied on the Reynolds-Averaged Navier-Stokes (RANS) equations for analyzing the flow within engine. A focal point of the study is the impact of different numerical schemes used to discretize the divergence term and of the C1 coefficient of turbulence model. The principal conclusions of the thesis indicate that while all the setups used successfully replicate in-cylinder average quantities, the most accurate results for velocity fields are achieved using second-order divergence numerical schemes with low limitation towards first-order and a C1 coefficient of 1.44.

Nel contesto della transizione energetica imposta dagli obiettivi dell’Accordo di Parigi, gli sforzi per avanzare la tecnologia dei motori a combustione interna (ICE) sono fonda- mentali, considerando l’interesse crescente per carburanti neutri in carbonio e sintetici come l’idrogeno e l’ammoniaca. La Dinamica dei Fluidi Computazionale (CFD) si è evoluta come strumento principale per la ricerca e lo sviluppo degli ICE. Questa tesi mira a validare una metodologia per la simulazione del processo di ricambio fluido nei motori a combustione interna. Il processo di validazione degli studi CFD implica il con- fronto dei risultati delle simulazioni con dati sperimentali, garantendo così l’accuratezza del modello nel catturare le complessità del processo di ricambio fluido, una fase critica che influenza l’efficienza del motore e il suo profilo di emissioni. In questo studio, le simulazioni sono state eseguite utilizzando LibICE, una libreria basata su OpenFOAM e sviluppata dal gruppo ICE del Politecnico di Milano, specificamente per le simulazioni dei motori a combustione interna. Questa libreria gioca un ruolo fondamentale nel potenziare le capacità di simulazione di OpenFOAM per le applicazioni dei motori. L’impostazione sperimentale ha coinvolto il motore TCC-III, sviluppato dall’Università del Michigan in collaborazione con General Motors. Questo modello ha permesso un esame dettagliato del flusso all’interno del cilindro. I dati disponibili per il TCC-III sono ottenuti con PIV e altri metodi, consentendo un confronto diretto tra le simulazioni CFD e le misurazioni sperimentali. Lo studio si è basato sulle equazioni di Reynolds-Averaged Navier-Stokes (RANS) per analizzare il flusso all’interno del motore. Un punto focale dello studio è l’impatto di diversi schemi numerici utilizzati per discretizzare il termine di divergenza e del coefficiente C1 del modello di turbolenza. Le principali conclusioni della tesi indicano che, sebbene tutte le configurazioni utilizzate replicano con successo le quantità medie all’interno del cilindro, i risultati più accurati per i campi di velocità sono ottenuti utiliz- zando schemi numerici per la divergenza del secondo ordine con bassa limitazione verso il primo ordine e un coefficiente C1 di 1.44.