Riassunto analitico
In uno scenario in cui le norme sulle emissioni diventano sempre più stringenti, i sistemi di iniezione assumono fondamentale importanza per tutti i moderni motori a combustione. Questa tesi si propone di esplorare approcci avanzati basati su simulazioni CFD per analizzare le interazioni impulso-impulso in iniettori ad alta pressione, evidenziando l’impatto che le condizioni del flusso all’interno dell'iniettore hanno sulla forma dello spray e sull’efficienza della combustione, compresa la formazione di inquinanti. Un aspetto di cruciale interesse è infatti cercare di ottenere una buona corrispondenza tra risultati CFD ed esperimenti in termini di formazione di inquinanti, analizzando le diverse risposte tra single e split injection, essendo la split injection una delle possibili soluzioni per ridurre le emissioni di soot. Il software AVL FIRE M è stato utilizzato per le simulazioni CFD. Un modello di iniettore reale è stato considerato per simulare il flusso all’interno dell’ugello, in cui il movimento della needle valve è stato implementato. Ciò permette di ottenere condizioni iniziali più affidabili per la successiva simulazione dello spray nel modello di combustione. Tale approccio prevede quindi l'accoppiamento di due diversi modelli, un modello dell’iniettore e un modello di combustione. È importante menzionare che sono state effettuate simulazioni a ciclo chiuso, tra IVC ed EVO, considerando un unico settore per ridurre i costi computazionali. In questo progetto l'attenzione si è focalizzata principalmente sulle condizioni di basso carico e alto lambda, dove il modello e’ stato capace di riprodurre il trade off soot-NOx, evidenziando un miglior comportamento, in termini di formazione di soot, con la split injection a bassi NOx, ma peggiore ad alti NOx. I risultati hanno rivelato che le ragioni principali di questa differenza sono legate all'interazione con le pareti e alla miscelazione carburante-aria, che manifestano un forte impatto sulla formazione e sull'ossidazione del soot. Focalizzandoci sulla zona ad alti NOx, si nota che con split injection anticipata, l'interazione spray-pistone gioca un ruolo importante, in quanto questo di per sé causa una maggiore formazione di soot e limita l'ossidazione, inoltre non permette al secondo impulso di essere iniettato nel primo, ostacolando quindi l’aiuto che la prima iniezione potrebbe dare alla combustione della seconda. In aggiunta con una single injection anticipata, le concentrazioni di soot all'EVO sono già abbastanza basse grazie alle persistenti alte temperature che favoriscono l'ossidazione del soot, limitando la necessità di una miscelazione aggiuntiva nella fase finale della combustione che potrebbe essere data da una seconda iniezione. D'altra parte, andando ad analizzare la zona a bassi NOx, si nota che con split injection posticipata, il secondo impulso sarà caratterizzato da una debole interazione con il pistone e potrà beneficiare dell’aiuto alla combustione dettato dall'elevata temperatura determinata dalla combustione del primo impulso, favorendo così l'ossidazione del soot, favorita anche dalla miscelazione aggiuntiva che il secondo impulso è in grado di fornire nella fase finale della combustione. Sono state simulate anche condizioni di medio carico, ma data la forte sensibilità a piccole variazioni delle condizioni operative, sono necessari ulteriori analisi prima di procedere a successive elaborazioni. Questo progetto di tesi ha permesso un'analisi approfondita sulle dinamiche di formazione e ossidazione del soot con strategie avanzate di split injection, come risultato della validazione del modello di spray e di combustione basato sui dati sperimentali esistenti, gettando le basi per un lavoro futuro, incentrato anche su diverse condizioni operative.
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Abstract
In a scenario where emission standards become more and more stringent, fuel injection systems are crucial for all modern combustion engines. This thesis aims to explore advanced approaches based on CFD (computational fluid dynamic) simulations in order to investigate and quantify pulse-to-pulse interactions in high-pressure liquid injectors, hihglighting the qualitative impacts of the injector flow conditions on the liquid spray shape and combustion performance, including pollutant formation. A crucial task of this project is in fact to try to get a good match between CFD results and experiments in terms of pollutant formation trying to explain the different responses between single and split injection, being split injection one of the possible solutions to reduce soot emissions. In this concept AVL FIRE M solver is used to perform CFD simulations. A real injector model is used to simulate the internal nozzle flow, in which the needle valve movement is included, where rail pressure and needle lift profile are specified as boundary conditions. This allows to get more reliable initial conditions for the subsequent spray simulation in the combustion model. Thus, this approach involves the coupling of two different models, an injector model and a combustion model. It is important to mention that closed cycle simulations were carried out between IVC (intake valve closing) and EVO (exhaust valve closing), using a sector model to reduce computational cost. In this project the focus has been mainly on low load and high lambda conditions, where the soot-NOx trade off was captured in the model, highlighting better behavior, in terms of soot formation, with split injection at low NOx but a worse one at high NOx. The results revealed that the main reasons for this difference are related to wall interaction and fuel-air mixing, that have a strong impact on soot formation and oxidation. Focusing on the area of high NOx, with early split injections, spray-piston interaction plays a relevant role, since the strong spray-wall interaction itself causes higher soot formation and limits oxidation, moreover the second injection is prevented from being injected into the first one, so the boost that the first injection could give to the combustion of the second one is hindered. Furthermore, with an early single injection, soot concentrations at EVO are already enough low thanks to persistent high temperatures that favor soot oxidation, limiting the need for extra mixing in the late combustion phase that could be given by a second injection. On the other hand, going to analyze the low NOx zone, with late split injections, the second pulse experiences a weak interaction with the piston and benefits from the high temperature driven by the combustion of the first pulse, boosting soot oxidation, also favored by the extra mixing that the second pulse is able to provide in the late combustion phase. Mid-load conditions were simulated as well, but given the strong sensitivity to small changes in operating conditions, additional analysis efforts are needed before proceeding with further post processing. This thesis project allowed an in-depth analysis of soot formation and oxidation dynamics with advanced split injection strategies, as a result of the validation of spray and combustion model based on existing test data, laying the foundation for future work, focusing also on different operating conditions.
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