Sviluppo di metodologie a basso costo computazionale per l’integrazione della modellazione di proprietà chimiche di combustibili in simulazioni 3D-CFD di combustione e formazione di particolato in motori benzina a combustione interna

Nowadays, the leading driver pushing the technological development of the new era of internal combustion engines is the continuous strive for the increase of efficiency and emissions reduction. The increasing complexity of new combustion systems is made possible thanks to the evolution of 3D computational fluid dynamics models. At the same time, the introduction of new technical solutions pushed the in-cylinder combustion process to operate in challenging conditions which are particularly demanding under the modelling standpoint, considered the high degree of accuracy required. In this scenario, the integration of chemistry-based methodologies in 3D computational fluid dynamics simulations is a powerful tool to quantitatively estimate the underlying phenomena linked to fuel chemistry which are responsible for the local mixture reactivity and, in turn, for the evolution of the combustion process. For example, the correct estimation of combustion-relevant fuel properties such as laminar flame speed, ignition delay and sooting tendency is a key factor to model, respectively, the flame propagating characteristics, the end-gas reactivity and soot emission formation in gasoline engines. The need for a quantitative estimation of the aforementioned phenomena has recently promoted a widespread use of methodologies aiming to directly solve chemistry at a cell-wise level in the computational grid. While the main advantage of this approach is the possibility to directly solve chemistry cell by cell, its main drawback is the non-negligible increase in computational cost. In the present work, a comprehensive methodology is developed to integrate detailed chemistry-based information in in-cylinder simulations retaining a high chemistry-fidelity at a feasible computational cost for the automotive industry standard. In particular, dedicated methodologies are proposed to model the flame propagating characteristics, the auto-ignition characteristics, the sooting tendency and the main chemico-physical properties of gasoline at thermodynamic and mixture quality conditions typically experienced in current production gasoline direct injection engines. All the proposed methodologies rely on detailed off-line chemistry-based simulations, carried out in a chemistry solver, to quantitatively estimate the aforementioned properties. This approach is validated on a optically-accessible gasoline direct-injection research engine on different injection strategies at a full-load operating point, with a particular focus on soot engine-out emissions. Due to the increasing limitations imposed on particulate matter by the current regulations worldwide, accurate CFD-based methodologies are needed to predict soot formation in gasoline direct engines. Therefore, a customized version of the Sectional Method model, based on a tabulated constant pressure reactors approach, is used in 3D CFD simulations for this purpose. The predictive capabilities of the proposed chemistry-based comprehensive methodology is proved twice. Firstly, the improved description of the combustion process development is validated thanks to in-cylinder flame front propagation visualizations. In the second place, an experimental-CFD comparison, in terms of engine-out Particulate Mass, Particulate Number and Particle Size Distribution Function, proves the capability of the proposed methodology, not only to describe the dependence of the sooting tendency on the injection strategy, but also to quantitatively predict soot characteristic quantities at the exhaust with a good agreement.

Al giorno d’oggi, i fattori principali che influenzano lo sviluppo dei motori a combustione interna di nuova generazione sono la continua ricerca di un aumento di efficienza e di riduzione delle emissioni allo scarico. Il progressivo aumento della complessità dei nuovi sistemi di combustione è resa possibile grazie all’evoluzione di modelli 3D di fluidodinamica computazionale. D’altro canto, l’introduzione di nuove soluzioni tecniche ha progressivamente spinto il motore a combustione interna ad operare in condizioni particolarmente complesse da modellare, considerato l’elevato grado di accuratezza richiesto. In questo scenario, l’integrazione di metodologie basate su calcoli chimici in simulazioni 3D di fluidodinamica computazionale costituisce uno strumento potente, che consente di stimare l’impatto dei processi chimici legati al combustibile responsabili per la reattività locale della miscela, che a sua volta influenza l’evoluzione del processo di combustione. Ad esempio, la corretta stima di proprietà del combustibile rilevanti per la combustione come la velocità laminare fiamma, il ritardo all’accensione e la propensità a formare particolato è fondamentale per modellare, rispettivamente, la propagazione del fronte di fiamma, la reattività degli end-gas la formazione di particolato nei motori benzina. La necessità di stimare quantitativamente i fenomeni sopraindicati ha recentemente portato alla diffusione di metodologie atte alla diretta risoluzione della chimica nella griglia computazionale portando, però, ad un non trascurabile aumento del costo computazionale. In questo lavoro, è stata sviluppata una metodologia per integrare informazioni basate sulla cinetica chimica dettagliata in simulazioni interno cilindro, mantenendo un’elevata accuratezza dal punto di vista chimico ad un ridotto costo computazionale per gli standard dell’industria dell’autoveicolo. In particolare, sono proposte metodologie dedicate per modellare la propagazione del fronte di fiamma, le proprietà di autoaccensione, la propensità a formare particolato e le principali proprietà chimico-fisiche, alle condizioni termodinamiche e di qualità della miscela tipici dei motori benzina ad iniezione diretta in produzione. La metodologie proposte si affidano a simulazioni di cinetica chimica, effettuate con un solutore chimico, per stimare quantitativamente le proprietà precedentemente descritte. Questo approccio è validato in un motore di ricerca ad accesso ottico, alimentato a benzina con iniezione diretta, su diverse strategie di iniezione in un punto a pieno carico, soffermandosi in particolare sulle emissioni di particolato. Infatti, a causa delle stringenti limitazioni imposte sul particolato da diverse legislazioni mondiali, sono necessarie metodologie accurate basate sulla CFD al fine di predire la formazione di particolato nei motori benzina a combustione interna. A tal fine, una versione modificata del Metodo delle Sezioni, basato su una tabulazione in reattori a pressione costante, è utilizzata nelle simulazioni CFD. Le capacità predittive dell’approccio onnicomprensivo basato sulla cinetica chimica sono validate doppiamente. In primo luogo, il miglioramento della capacità descrittiva dell’evoluzione del processo di combustione è validata grazie a visualizzazioni sperimentali del fronte di fiamma. Successivamente, un confronto CFD-sperimentale, basato sulla massa, il numero e la distribuzione delle particelle di particolato, evidenzia la validità della metodologia proposta, non solo per la capacità di predire la dipendenza della formazione di particolato dalla strategia di iniezione, ma anche per quanto riguarda la possibilità di predire quantitativamente le grandezze caratteristiche del particolato allo scarico in modo soddisfacente.