Transient flow simulations of Gasoline Direct injection (GDi) nozzles: nozzle flow and sprays

Abstract

[ES] En el campo de los motores de combustión interna alternativos (MCIA) el uso de la inyección directa de gasolina (GDi) ha ido ganando importancia durante los últimos años porque permite reducir el consumo de combustible y por tanto las emisiones contaminantes. En este tipo de sistemas de inyección directa, el inyector juega un papel fundamental en la calidad de la mezcla de aire y combustible. Sin embargo, el estudio de los fenómenos que acaecen en el interior de las toberas de estos inyectores es complejo debido a su reducido tamaño, las elevadas velocidades del flujo y su naturaleza multifásica. En ese aspecto, las herramientas de mecánica de fluidos computacional (CFD) ayudan a entender el comportamiento del flujo en estos casos. Así pues, el objetivo de este trabajo es el desarrollo de una metodología de simulación predictiva para dos toberas GDi con diferentes códigos comerciales. La técnica de tomografía por rayos-x se ha utilizado para obtener una descripción detallada de la geometría de estas toberas así como del desplazamiento de la aguja con el tiempo. Las ecuaciones no estacionarias de Navier-Stokes con un promediado de Reynolds (URANS) es el enfoque utilizado para lidiar con la turbulencia. Y el modelo de relajación homogénea (HRM) se emplea para tener en cuenta el posible cambio de fase del combustible líquido (por cavitación o flash boiling ). El enfoque Lagrangiano se utiliza para el chorro, con un modelo conocido como de gotas discretas (DDM). Se simulan diferentes condiciones de inyección y se comparan los resultados con experimentos para validar la metodología. El CFD es capaz de predecir los valores estacionarios con exactitud, pero el comportamiento transitorio depende fuertemente de las condiciones de contorno e iniciales impuestas. Se propone una metodología para su correcta definición, y se prueba en las toberas de estudio, mejorando la precisión de las simulaciones durante los transitorios.

[EN] In the field of Internal Combustion Engines (ICE) the usage of Gasoline Direct fuel Injectors (GDi) has gain relevance in the past years with the goal of reducing fuel consumption and thus emissions. In this type of direct injections, the injector plays a major role in defining the air-fuel mixture quality. Nevertheless, the study of the phenomena inside the nozzle becomes a challenge due to its reduced size, high flow velocities and multiphase flow nature. Computational Fluid Dynamics (CFD) tools allow gaining insight and understanding in those situations. Therefore, the objective of this work is the development of a predictive methodology for the simulation of two GDi nozzles with different commercial software. X-ray tomography technique is employed to obtain a detailed description of the geometry and needle lift profile. Unsteady Reynolds-Averaged Navier Stokes (URANS) is the approach for modeling the turbulence. The Homogeneous Relaxation Model (HRM) is used to take into account the possible phase change of the fuel (cavitation or flash boiling). Eulerian-Lagrangian approach is used for the spray, model known as Discrete Droplet Model (DDM). Different injection conditions are simulated and results are compared against experimental data for validation. CFD is able to accurately predict steady state values, but transients are very dependent on the initial and boundary conditions imposed on the model. A methodology for their definition is proposed and tested, and with it the accuracy in the prediction of the transients is improved.