Riassunto analitico
L’esatta conoscenza dei fenomeni fisici che hanno luogo nella camera di combustione è di primaria importanza per lo sviluppo dei motori a combustione interna. Tale attività ha, da sempre, richiesto grandi risorse nella messa a punto di tecniche sperimentali appropriate per cogliere la dinamica dei fenomeni fisici che hanno luogo nei condotti ed in camera di combustione. Si deve inoltre considerare che le prove sperimentali sono molto spesso invasive e, di conseguenza, alterano la dinamica dei fenomeni oggetto di indagine, oltre che essere caratterizzate da elevati costi. Per tali motivi, negli ultimi anni il mondo della ricerca ha dedicato enormi attenzioni alle metodologie di simulazione numerica soprattutto nel settore termo-fluidodinamico. Il ruolo dell’analisi numerica nel percorso di ricerca e sviluppo di un motore non è quello di proporsi come alternativa alla sperimentazione, ma piuttosto quello di fornire un contributo parallelo e di supporto ad essa.
L’obiettivo del seguente studio è lo sviluppo una metodologia, tramite simulazioni Computational Fluid Dymiacs (CFD), in grado di descrivere uno spray di combustibile e, successivamente, la combustione.
Si applica poi la metodologia definita in un motore benzina ad alta potenza specifica, ad iniezione diretta (GDI), con iniettore central-mounted, di produzione Maserati.
Il software utilizzato per tale studi è il codice commerciale STAR-CD. Il lavoro di ricerca svolto può essere diviso in cinque distinte fasi. Le prima riguarda l’analisi dell’iniezione di uno spray di combustibile in un dominio di calcolo semplice (bomba calorimetrica), in condizioni quiescenti, con lo scopo di calibrare le costanti del modello di breakup implementato tramite user-coding. Per fare ciò si confrontano i risultati ottenuti mediante analisi CFD con misurazioni sperimentali dell’iniettore.
Successivamente si utilizza il modello nel motore oggetto di studio e si analizza lo spray e le condizioni di miscelamento ottenute. Si prosegue lo studio con la definizione di una metodologia per lo studio della combustione. Il modello di combustione utilizzato è il classico ECFM-3Z già implementato. L’equazione di trasporto della densità di fiamma σ dipende fortemente dalla velocità di fiamma laminare. Quest’ultima è la velocità di propagazione di una fiamma in condizioni di regime laminare. Sono state studiate una serie di possibili leggi di velocità di fiamma laminare disponibili in letteratura.
Successivamente si è scelto una di queste sulla base di determinate considerazioni. Si è determinata una nuova legge che definisce un’opportuna velocità di propagazione della fiamma laminare al variare delle condizioni di pressione, temperatura, miscelamento ed EGR. Per valutare al meglio la metodologia si indagano diverse condizioni operative del motore.
La metodologia così sviluppata è stata utilizzata per valutare soluzioni progettuali inerenti al posizionamento dell’iniettore in camera di combustione. Obiettivo dell’analisi è stato quindi quello di ridurre gli effetti dell’impatto dei getti sul cilindro e che possono portare a problemi di diluizione olio e l’imbrattamento della candela. La modifica della posizione e inclinazione dell’iniettore deve comunque garantire le corrette condizioni di miscelamento in camera e quindi di combustione.
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Abstract
The exact knowledge of the physical phenomena that take place in the combustion chamber is of primary importance for the development of internal combustion engines. This activity has always required great resources in the development of appropriate experimental techniques to capture the dynamics of the physical phenomena that occur in the ducts and in the combustion chamber. It must also be considered that the experimental tests are very often invasive and, therefore, alter the dynamics of the phenomena under investigation, as well as being characterized by high costs. For these reasons, in recent years the research community has devoted enormous attention to the methods of numerical simulation mainly in the thermo-fluid dynamics. The role of the numerical analysis in the path of research and development of an engine is not to provide an alternative to experimentation, but rather to provide a parallel contribution and support to it.
The objective of the following study is to develop a methodology, via Computational Fluid Dynamics method (CFD), able to describe a spray of fuel, and thereafter, the combustion.
methodology defined has benne applied in a gasoline engine at high specific power, direct injection (GDI), with central-mounted injector, Maserati production.
The software used for this study is the commercial code STAR-CD. The research work can be divided into five distinct phases. The first concerns the analysis of injection of a fuel spray in a simple calculation domain (bomb calorimeter), and in quiescent conditions, with the aim of calibrating the model constants breakup implemented via a user-coding. To do this we compare the results obtained using CFD analysis with experimental measurements of the injector.
Subsequently the model has been used into the engine under study and analyze the spray and the conditions of mixing obtained. Study continues with the definition of a methodology for the study of combustion. The combustion model used is the classic ECFM-3Z already implemented. The transport equation of the density of flame σ strongly depends on the laminar flame speed. The latter is the propagation speed of a flame under conditions of laminar flow regime. A number of possible laws of laminar flame speed available in the literature has been studied.
It was chosen one of these on the basis of various considerations. Has created a new law defining a suitable laminar flame speed propagation under varying conditions of pressure, temperature, mixing and EGR. To better evaluate the methodology different engine operating conditions has been investigated.
The methodology thus developed was used to evaluate design solutions relating to the positioning of the injector in the combustion chamber. Objective of the analysis was therefore to reduce the effects of the impact of the jets on the cylinder and which can lead to problems of oil dilution, and the fouling of the spark plug. Changing the position and inclination of the injector must still ensure proper mixing conditions in the chamber and then the combustion.
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