Modellazione numerica di combustioni anomale in motori ad accensione comandata ad alta potenza specifica

The recent legislation in terms of tailpipe emission and pollutant formation is pushing the engine design towards higher thermal efficiency. This is pursued by adopting high-boost and downsizing. The resulting increase in power density and reduction fuel consumption is counteracted by the higher risk of knock in SI engines. A CFD model able to predict knock occurrence in spark-ignition engines is developed. This is based on the fuel-specific chemical anti-knock quality of the adopted gasoline. A look-up table approach is developed and implemented in a commercial CFD code and cell-wise chemical kinetics is synthesized. The end-gas knock tendency is analyzed and the most knock-favorable locations are identified in the combustion chamber. The model is applied on a knock prediction analysis of a production turbocharged GDI engine, whose validation is carried out on experimental data at the edge of knock. Ensemble average knock prediction is first carried out thanks to RANS full-cycle simulation. In the second part, cycle-resolved knock tendency and combustion cycle-to-cycle variability are evaluated in a Large-Eddy Simulation (LES) analysis of the same operating condition.

Le recenti normative anti-inquinamento in termini di emissioni e formazione di inquinanti hanno spinto la progettazione dei moderni motori a combustione interna verso maggiori livelli di efficienza termica. Questo obiettivo è raggiunto tramite elevati livelli di sovralimentazione e la riduzione della cilindrata complessiva (downsizing). L’incremento della potenza specifica e la riduzione di consumo di combustibile sono contrastati dal maggiore rischio di detonazione nei motori ad accensione comandata. Al fine di prevedere e modellare tale fenomeno è stato sviluppato un modello numerico CFD per la previsione della detonazione. Tale modello è basato sulla resistenza alla detonazione propria di ciascun combustibile, unitamente ad un approccio tabulato in grado di sintetizzare la cinetica chimica di ogni cella computazionale dei gas incombusti. La tendenza alla detonazione degli end-gas è analizzata in dettaglio e le posizioni più favorevoli all’innesco di detonazione nella camera di combustione sono identificate. Il modello è applicato all’analisi di previsione della detonazione di un motore sovralimentato ad iniezione diretta attualmente in produzione, per il quale sono disponibili dati sperimentali al limite della detonazione. Inizialmente è condotta l’analisi media del punto operativo tramite simulazioni CFD di tipo RANS. Successivamente la tendenza al knock di ogni ciclo motore e la variabilità ciclica di combustione sono analizzate tramite un’analisi Large-Eddy Simulation (LES) dello stesso punto operativo.