Riassunto analitico
I crescenti limiti legislativi sulle emissioni ed il consumo di carburante dei moderni motori da autotrazione hanno portato i ricercatori alla necessità di prevedere con precisione la combustione e gli eventi correlati nei motori a benzina. In particolare, il knock è uno dei fattori più limitanti per i moderni motori ad accensione comandata, limitando fortemente i miglioramenti in termini di performance ed efficienza. Le moderne simulazioni CFD stanno diventando uno strumento accessibile per supportare la pratica sperimentale dalla progettazione iniziale alla fase di calibrazione dettagliata. A tal fine, i modelli di combustione e di knock in ambiente RANS offrono un buon compromesso tra tempo di calcolo e raggiungimento del risultato che consente di simulare la propagazione media del fronte di fiamma, nonché la tendenza "media" alla detonazione dei gas di scarico. Tuttavia, il livello di fiducia nell'uso degli strumenti di CFD si basa fortemente sulla possibilità di convalidare modelli e metodologie contro misurazioni sperimentali.
In questo lavoro sono disponibili tre serie di visualizzazioni di fiamma risolte al grado di angolo motore in un ciclo misurate su un motore di ricerca mono-cilindrico ad accensione comandata e iniezione diretta con cilindrata 400 cm3 e accesso ottico. I tre set di dati fanno riferimento a tre diversi anticipi di accensione, da condizioni non detonanti a condizioni di knock intenso.
Su questa base, viene eseguita un'analisi numerica per riprodurre la crescita e la propagazione del kernel di fiamma utilizzando il ben noto modello di combustione ECFM-3Z per tutte le condizioni operative. I risultati CFD sono confrontati in termini di volume intrappolato dal fronte di fiamma e morfologia della fiamma rispetto ai dati sperimentali calcolati su base ciclo. Inoltre, il knock medio viene simulato mediante il modello di Knock UniMORE [1] in termini di posizione e fasatura costruito internamente. L'accordo tra la posizione prevista a calcolo e quella misurata del fronte di fiamma e la posizione di rilevamento della detonazione per le tre diverse condizioni operative conferma la validità dei modelli adottati e dimostra la loro capacità predittiva per la progettazione e l'ottimizzazione del motore.
Dopo questa prima fase di correlazione tra risultati numerici e sperimentali, è stato compiuto un ulteriore passo nella modellizzazione della detonazione verso la descrizione fisica del fenomeno.
Il knock infatti è uno dei fattori più limitanti per i moderni motori ad accensione comandata per raggiungere obiettivi di efficienza più elevati. La natura statistica del fenomeno di detonazione dei motori ad accensione comandata ostacola la capacità predittiva dei modelli di detonazione RANS basati su quantità medie.
A tal fine, un modello di knock statisticamente fondato è stato recentemente sviluppato nell’ambiente RANS e sono stati introdotti miglioramenti in questo studio. Il modello è in grado di dedurre una presunta distribuzione logaritmica dei cicli di detonazione da una singola simulazione RANS mediante equazioni di trasporto per varianze e funzioni di densità di probabilità (PDF) derivate dalle grandezze relative al campo di moto turbolento.
Nella seconda parte della tesi viene applicato il modello di knock basato sulla distribuzione di densità di probabilità per simulare il comportamento di knock dell’unità ad accensione comandata di cui alla prima sezione di questo lavoro. La previsione statistica di knock risultante dal modello knock knock presentato viene confrontata con l'evidenza sperimentale per tutte le condizioni investigate.
L'accordo tra le distribuzioni di detonazione previste e quelle misurate convalida il modello di knock presentato. Infine, le limitazioni e le possibilità offerte dal modello presentato vengono discusse in modo critico, in particolare in riferimento al significato della predizione del knock in ambiente RANS.
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Abstract
The increasing limitations in engine emissions and fuel consumption have led researchers to the need to accurately predict combustion and related events in gasoline engines. In particular, knock is one of the most limiting factors for modern SI engines, severely limiting thermal efficiency improvements. Modern CFD simulations are becoming an affordable instrument to support experimental practice from the early design to the detailed calibration stage. To this aim, combustion and knock models in RANS formalism provide good time-to-solution trade-off allowing to simulate mean flame front propagation and flame brush geometry, as well as “ensemble average” knock tendency in end-gases. Still, the level of confidence in the use of CFD tools strongly rely on the possibility to validate models and methodologies against experimental measurements.
In the paper, three sets of cycle-resolved flame visualizations are available from a single-cylinder 400cm3 direct-injection spark-ignition (DISI) unit with optical access. The engine is operated at three spark timings, ranging from knock-safe to hard-knock conditions.
On this basis, a numerical analysis is carried out to reproduce flame kernel growth and propagation using the well-known ECFM-3Z combustion model for all the operating conditions. CFD results are compared in terms of enflamed volume and flame morphology against cycle averaged experimental data. In addition, average knock is simulated by means of the in-house built UniMORE Knock Model [1] in terms of knock onset location and phasing.
The agreement between predicted and measured position of the flame front and knock inception location for the three different operating conditions confirms the validity of the adopted models and proves their predictive capability for engine design and optimization.
After this first step of correlation between numerical and experimental results, a further step in the knock modelisation has been made toward the physical description of the phenomenon.
Engine knock is one of the most limiting factors for modern SI engines to achieve higher efficiency targets. The stochastic nature of knock in Spark-Ignition (SI) engines hinders the predictive capability of RANS knock models which are based on mean quantities.
To this aim, a statistically grounded knock model was recently developed in the RANS formalism and improvements are introduced in this study. The model is able to infer a presumed log-normal distribution of knocking cycles from a single RANS simulations by transport equations for variances and turbulence-derived probability density functions (PDFs) for physical quantities, as well as to infer the earliest knock severity experienced when moving the operating condition into the knocking regime.
In this paper the PDF-based knock model is applied to simulate the knock signature of a single-cylinder 400cm3 direct-injection SI unit with optical access operated at three spark timings, from knock-safe to heavy knocking conditions, respectively. The statistical prediction of knock resulting from the presented knock model is compared to the experimental evidence for all the investigated conditions.
The agreement between the predicted and the measured knock distributions validates the presented knock model. Finally the limitations and the unprecedented possibilities given by the presented model are critically discussed, and special focus is given to the meaning of RANS knock prediction.
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