Modellazione CFD del processo di formazione della miscela aria combustibile in motori a benzina ad iniezione diretta

A detailed description of the fuel-air mixture formation in gasoline, direct injection engines allows to evaluate performances and pollutants formation. At first this work was focused on the mathematical modeling and numerical simulation of the fuel spray, injected into a constant-volume vessel. The gas phase was described by an eulerian approach and his foundamental equations, averaged on time as required by RANS technique, were closed with the k-epsilon turbulence model. The liquid phase was resolved using a lagrangian approach and additional models were used to simulate other spray phisical processes, such as atomization, secondary breakup and interaction with solid walls. The effect of the main spray sub-models (atomization and breakup) was analyzed in detail to identify the optimum set of model constants. The calibration process allowed a rather good agreement with experimental data in terms of spray penetration, droplet diameter and morphology. The proposed spray setup was then applied to simulation of the fuel-air mixing process in a real GDI engine. It was possible to understand the main effects of the injection strategy on fuel distribution in the combustion chamber and on liquid film formation on cylinder wall and piston. A satisfactory correspondence between numerical and experimental results is observed in terms of morphology of the spray and soot formation zones. This method of analysis it can be used to identify the best injection strategy to reduce pollutants or achieve a particular charge composition.

Una descrizione dettagliata del processo di formazione della miscela aria-combustibile nei motori a benzina ad iniezione diretta permette di valutare le prestazioni e la formazione di emissioni inquinanti. Il presente lavoro si è concentrato inizialmente sulla modellazione matematica e sulla simulazione numerica dello spray di combustibile iniettato all'interno di un volume semplice. La fase gas è stata descritta mediante un approccio euleriano e le equazioni di moto, mediate nel tempo come richiesto dalla tecnica RANS, sono state affiancate dal modello di turbolenza k-epsilon. La fase liquida è stata risolta sfruttando un approccio lagrangiano a cui si aggiungono particolari sottomodelli per i processi di atomizzazione, breakup secondario e interazione con le pareti solide. É stato quindi svolto uno studio approfondito dell'effetto dei principali parametri dei sottomodelli sulle caratteristiche dello spray, con lo scopo di individuare una configurazione ottimale. Questo processo di calibrazione ha permesso di ottenere una corrispondenza soddisfacente tra risultati numerici e sperimentali in termini di penetrazione, diametro medio delle gocce e morfologia del singolo spray per diverse pressioni di iniezione. Successivamente sono state svolte simulazioni CFD del processo di formazione della miscela in un motore GDI esistente sul mercato. Ciò ha permesso di comprendere i principali effetti della strategia di iniezione sulla distribuzione di combustibile in camera e sulla formazione di film liquido sulle pareti del cilindro e del pistone. Una soddisfacente corrispondenza tra risultati numerici e sperimentali è stata osservata in termini di morfologia dello spray e zone in cui si ha maggiore formazione di particolato solido. É quindi possibile usare questa metodologia di analisi a scopo predittivo, individuando quale sia la strategia di iniezione migliore per ridurre le emissioni inquinanti o per ottenere una particolare composizione della carica.