Modellazione CFD della combustione turbolenta in motori ad accensione comandata

Modeling of combustion process in spark ignition engines represents a complex issue due to the physical and chemical processes that occur at the same time in the combustion chamber. Nowadays, the use of multi-dimensional models (CFD: computational fluid dynamics) allows to perform a detailed analysis of the complex phenomena taking place in the engine cylinders during the ignition and turbulent combustion phases. This thesis is focused on modeling of the ignition phenomena, since it represents one of the most critical parts of the whole combustion process. In particular, two different eulerian ignition models, AKTIM and Herweg&Maly model, have been implemented into Lib-ICE library (based on OpenFOAM code). First, such models were applied to a simplified engine geometry to test the results’ independence from the grid resolution. Since it was found that the Herveg and Maly model presents a strongly dependency on the grid size, only the AKTIM model was employed for the further investigations. Experimental validation of the AKTIM model was performed with two real engine configurations: a natural gas engine and a gasoline direct injection spark ignition engine. An acceptable agreement between numerical and experimental data was found, despite results were very sensitive to: combustion chamber design, wall film and spray models, etc. which can be further improve.

La modellazione del processo di combustione nei motori ad accensione comandata è particolarmente complessa data la contemporanea presenza di differenti processi fisici e chimici. Tuttavia, l’applicazione di modelli di calcolo multi-dimensionali (CFD: computational fluid dynamics) consente di indagare i complessi fenomeni che avvengono all’interno del cilindro durante le fasi di accensione e combustione turbolenta. Questo lavoro di tesi si concentra principalmente sulla modellazione del processo di accensione, che ricopre un ruolo fondamentale nell’intero processo di combustione. In particolare sono stati implementati, all’interno della libreria Lib-ICE (basata sul codice OpenFOAM) due modelli di accensione euleriani: l’AKTIM e un modello sviluppato da Herweg e Maly. Tali modelli sono stati prima applicati a un motore semplificato, al fine di valutare l’indipendenza dei risultati dalla risoluzione della griglia di calcolo. Da questa prima analisi è emerso che il modello Herweg e Maly presenta una forte dipendenza dalla griglia, quindi per le analisi successive è stato adottato solo il modello AKTIM. Poi questo modello è stato applicato a due motori reali, il primo a metano con un particolare sistema di accensione e il secondo a benzina a iniezione diretta di combustibile. La validazione del modello di accensione proposto mediante dati sperimentali mostra che, una volta calibrato il modello per il caso considerato, esiste un accordo accettabile tra dati calcolati e dati sperimentali. Si ritiene inoltre che altri fattori abbiano influenzato i risultati, ad esempio il disegno della camera di combustione, i modelli per il wall film e lo spray, che sicuramente richiedono di essere ulteriormente perfezionati.