Riassunto analitico
Al giorno d’oggi le principali forze trainanti il mercato automobilistico sono la legislazione sempre più stringente sulle emissioni inquinanti e l’aumento di efficienza dei motori.
La necessità di migliorare il consumo di carburante per ridurre le emissioni di CO2 sta promuovendo la diffusione del mercato della tecnologia GDI. L'iniezione diretta, accoppiata alla strategia di downsizing, garantisce una maggiore efficienza termica, minori emissioni inquinanti e una ridotta tendenza alla detonazione.
La tecnologia GDI richiede una conoscenza approfondita dell'evoluzione dello spray all’interno della camera di combustione. Un miglioramento nella diagnostica sperimentale dello spray e nella sua rappresentazione CFD è pertanto necessario.
Le tecniche di misurazione tradizionali non possono essere considerate esaustive nella caratterizzazione dello spray. L'approccio imaging è molto utile per studiare l'evoluzione dello spray e la sua forma. La misurazione dell’injection rate non è in grado di distinguere il contributo del getto singolo per un iniettore a più fori mentre le misurazioni PDA forniscono dati quantitativi molto dettagliati su diametri e velocità delle single gocce, ma presenta alcune limitazioni, come l'impossibilità di lavorare con gli spray densi e richiede molto tempo.
Un aspetto chiave, che al giorno d'oggi è quasi trascurato, è la variabilità da foro a foro in termini di injection rate. Le simulazioni CFD possono aiutare a investigare questo fenomeno ad esempio utilizzando un approccio euleriano. Tale metodologia è estremamente accurata ma richiede un'enorme quantità di risorse di calcolo, tempo e deve essere ripetuta ogni volta che alcuni parametri funzionali (ad esempio la pressione di iniezione, la durata dell'iniezione) cambiano, rendendo impossibile l'applicazione nell'approccio industriale.
Per questo motivo il presente lavoro si concentra sulla possibilità di includere nel processo di validazione degli spray lagrangiani una nuova tecnica: il momentum flux measurement. In particolare è stato dimostrato che la CFD è in grado di replicare e persino ottimizzare la configurazione sperimentale. Il momentum flux è una delle più importanti quantità fisiche che influenzano l'evoluzione dello spray. Questo tipo di misura può essere effettuata per ogni getto in iniettori multi-foro indipendentemente dalla densità dello spray, rendendo possibile l'analisi dell'uniformità e della la variabilità shot-to-shot dei singoli getti.
Nei motori GDI, uno dei problemi più critici che i progettisti devono affrontare è la formazione di liquid film sulle pareti della camera di combustione, e in particolare sul pistone. Ciò si traduce nella formazione di sacche di miscela ricca che aumentano la produzione di soot e all’insorgenza di preaccensioni. La caratterizzazione sperimentale dell'interazione spray-parete è limitata a motori ad accesso ottico. Le simulazioni 3D-CFD possono supportare l'indagine e la comprensione della complessa interazione di tutti i fenomeni fisici coinvolti. Tuttavia, per rappresentare accuratamente l'intera catena di processi, è necessario prestare attenzione alla modellazione al fine di minimizzare l'impatto delle ipotesi fisiche sui risultati ottenuti.
Nel presente lavoro viene effettuato un confronto tra l'approccio industriale CFD standard e una metodologia più accurata sia per quanto riguarda la rappresentazione del combustibile che per quanto riguarda la modellazione dell’interazione spray-parete, al fine di verificarne l’effetto sull’evoluzione dello spray, sulla formazione di liquid-film e di soot.
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Abstract
The main driving force in the automotive market is the legislation about pollutant emissions and the request for more efficient engines. In spark ignition engines, the need for improving fuel consumption is promoting the GDI technology market spread. Direct injection allows the engine to work under stratified charge operation mode with significant fuel consumption saving at low/medium load conditions. Advanced injection strategies require a deep knowledge and control of the in-cylinder spray evolution. Thus, an improvement in the experimental spray diagnostics and in its CFD representation is required. Traditional measurement techniques cannot be considered exhaustive in the spray characterization. The imaging approach is useful to investigate the jet evolution and its global shape but it does not give quantitative knowledge. Injection rate measurement is unable to distinguish the single jet contribution in multi-hole injectors. Phase Doppler Anemometry provides detailed quantitative data about local droplets size and velocity but presents some limitations. The need of a deeper knowledge in the spray evolution pushes the spray representation via CFD. A key aspect, which is nowadays almost neglected, is the hole-to-hole variability in terms of injection rate. Accurate CFD Eulerian analyses can be performed to simulate the behavior of the fuel inside the injector and evaluate cavitation and the nozzle-specific injection rate. Such methodology is very accurate but it requires huge computational resources. It also has to be repeated every time some functional parameter changes, making it impossible to be applied in the industrial approach. For such reason the present work focuses on the possibility to include a new spray measurement technique in the standard CFD Langrangian spray validation process: the spray momentum measurement. The spray momentum flux is the one of the most important physical quantities influencing the spray evolution. The momentum flux measurement can be performed jet by jet on a multi-hole injector regardless the spray density, allowing the analysis of jet uniformity, shot-to-shot variability and, under some assumptions, single hole injection rate. The objective of a more accurate CFD fuel spray validation is to be able to predict its behavior inside the combustion chamber of ICE engine. In GDI architectures, one of the most critical issues the designers have to face is the formation of liquid fuel pockets on the combustion chamber walls. Once liquid film is formed, the fuel needs a longer time to evaporate and mix with air. A portion of fuel film may not take part to the combustion process at all, or may burn just in the very last stage of the expansion stroke. The onset of diffusive flames in the fuel-rich pockets may lead to relevant production of soot particles, as well as to undesired local auto-ignition events. The simultaneous decay in engine performance and increase in pollutant formation makes the analysis and optimization of such fuel/wall interaction a key-factor to meet the increasingly stringent consumption and emission targets. The experimental characterization of the fuel/piston interaction is limited to optically accessible engines in highly specialized research laboratories. 3D-CFD simulations can support the investigation and understanding of the complex interplay of the involved physical phenomena. Still, to represent accurately the whole chain of processes, care must be paid to the model setup in order to minimize the impact of physical assumptions on the obtained results. In the present work a comparison between the standard CFD industrial approach and a more accurate fuel representation methodology is carried out to evaluate the effect on spray prediction, liquid film and soot formation.
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