• CCV
• COMBUSTIONE
• GDI
• LES
• POD

Nel presente lavoro, l’obiettivo principale è stato quello di investigare la natura stocastica dei campi di moto che si verificano all’interno dei motori ad accensione comandata, cercando di determinare quelle che possono essere le cause dell’insorgenza del fenomeno della dispersione ciclica. La sua riduzione è di particolare importanza in ottica emissioni e quindi miglioramento del consumo specifico, specialmente nei cicli omologativi.
Per questo motivo, la maggior parte delle case automobilistiche si sta muovendo in questa direzione per lo sviluppo dei propri motori sovralimentati.
Una riduzione della dispersione ciclica, per dato consumo specifico, consente di aumentare la potenza specifica del motore stesso, in seguito alla diminuzione della deviazione standard sul “burn delay”, consentendo anticipi di accensione più spinti per data soglia di detonazione.
Due motori completamente diversi sono stati investigati mediante l’utilizzo di un codice CFD, cercando di quantificare, capire, predire e soprattutto controllare la dispersione ciclica sia in condizioni di motore trascinato che in condizioni di reale funzionamento.
Il primo motore analizzato fa parte della categoria dei motori PFI all’interno dell’“ Engine Combustion Network”: si tratta del “Transparent Combustion Chamber engine” (http://www.sandia.gov/ecn/engines/engineFlows/TCCEngine.php).
L’obiettivo principale del progetto ( che ha comportatao un periodo di internship della durata di 9 mesi presso il Propulsion Engineering Research Center della Pennsylvania State University, PA, USA) è stato quello di confrontare due diversi modelli di turbolenza di sub-grid, che differiscono per la descrizione delle componenti energetiche al di sotto della dimensione di griglia, all’interno della sola integrazione spaziale Large Eddy Simulation (LES). I modelli di turbolenza scelti rappresentano gli estremi in termini di complessità di modellazione, andando dal più semplice, Smagorinsky, al più complesso modello non viscoso denominato Dynamic Structure Model.
Partendo dalle condizioni di motore trascinato, sono stati calcolati 50 cicli LES per modello di turbolenza e sono stati confrontati con risultati sperimentali PIV disponibili in due sezioni di controllo della camera di combustione. Le attività con motore in “firing” hanno avuto inizio verso la fine dell’attività perciò verranno mostrati solamente i risultati preliminari.
La seconda architettura è rappresentata da un motore sovralimentato GDI ad alta potenza specifica, dove il fenomeno della dispersione ciclica è stato investigato in condizioni di alti giri ed alto carico. Si è partiti dal confronto di base tra simulazioni multi-ciclo RANS e LES, e sulle ultime, si è cercato di determinare la differenza tra l’utilizzo di “boundaries” derivanti dai trasduttori di pressione veloci nei condotti o quelle dal calcolo mono-dimensionale GT-POWER del motore stesso. La costruzione della griglia di calcolo ha richiesto particolare attenzione per il raggiungimento del miglior compromesso tra il livello energetico direttamente risolto dalla griglia ed il tempo computazionale di risoluzione richiesto dal singolo ciclo. Per la determinazione di una possibile gerarchia tra tutte le variabili di interesse monitorate durante la simulazione, più di 25 cicli consecutivi sono stati calcolati al fine di avere una minima rappresentazione statista del fenomeno. In aggiunta, i risultati sono stati analizzati mediante tecnica POD (proper Orthogonal Decomposition).
Infine, come piccola digressione dai motori a combustione interna, seppur riguardante l’instazionarietà dei flussi, durante il percorso si è anche analizzato mediante tecnica LES un problema di acustica riguardante il compressore centrifugo del precedente motore ad alte prestazioni studiato.

During the PhD studentship, as a primary task, the stochastic nature of in-cylinder flows has been deeply investigated in order to detail the main causes of cyclic variability in spark ignition engines. The aim is of paramount importance, especially nowadays where the entire automotive industry is focusing on downsized turbo-charged engines to improve fuel consumption in part-load operating points, to consequently improve emissions in driving cycles. Reducing cycle-to-cycle variation (CCV), on the one hand, provides an improvement on fuel consumption, hence reducing tailpipe emission levels for a given engine architecture. On the other hand, accepting the same fuel consumption target, the engine power output can be increased due to a lower standard deviation in burn duration curves, which in turn allows the knock limited spark advance to be increased. In this work, two completely different engines have been investigated by means of CFD simulations aiming at predicting, quantifying, understanding and ultimately controlling CCV in flow and combustion. The first investigated architecture is represented by a port fuel injection combustion system being part of the “ Engine Combustion Network”: the “Transparent Combustion Chamber engine” (http://www.sandia.gov/ecn/engines/engineFlows/TCCEngine.php). The main goal for this project (partly carried out through a 9 months internship at the Propulsion Engineering Research Center at the Pennsylvania State University, PA, USA) has been the evaluation of two different sub-grid turbulence models, which differ in terms of sub-grid turbulence modeling, in the Large Eddy Simulation (LES) framework. The sub-grid models represent the extremes in terms of complexity, going from the simplest viscosity-based model, the Smagorinsky, to the latest representation of a non-viscous model, the Dynamic Structure Model. Starting from motored conditions, several LES multicycle flow fields have been evaluated and compared with two-dimensional PIV velocity-field measurements that were recorded on multiple cutting planes through hundreds of consecutive cycles. The analysis of firing conditions started just at the end of the activity; therefore, only preliminary results will be presented in this document. The second investigated architecture can be categorized as a high performance GDI turbocharged engine, where CCV origins have been deeply investigated at high engine speed and full load conditions. Many efforts have been spent on this topic, starting from fundamental works that compare, for instance, RANS multi-cycle results against LES ones. Furthermore, within the LES framework, the impact of using subsequent, experimental, time-varying pressure conditions against periodic time-varying GT-POWER boundary conditions has been investigated. Particular attention has been paid to the computational grid construction in order to optimize the trade-off between resolved energy and affordable industrial computational time per cycle. More than 25 subsequent cycles have been computed in order to have a minimum statistical representation to fairly exploit any clear hierarchy among all monitored variables deemed responsible for the cycle-to-cycle variation. These results have then been used to exercise on Proper Orthogonal Decomposition and give a personal point of view on the representation of what, at the end, the different POD modes represent. Finally, partly deviating from the Internal Combustion Engine (ICE) in-cylinder topic, but still focusing on flow unsteadiness, a brief LES study on the acoustic behavior of a centrifugal compressor has been carried out in order to solve/reduce whistling noise phenomena audible at different operating points in the same high performance GDI Turbo-charged engine as above.