Numerical investigation of in-cylinder cold flow characteristics using dynamic mesh in a compression ignition engine

Abstract

The main objectives of the study are to characterize the transient cold flow structures in the cylinder of a compression ignition engine, to quantify how piston motion changes these structures relative to a fixed geometry, and to determine the pressure and temperature histories of the motored cycle as a baseline for subsequent combustion modeling. These objectives were achieved by building a two-dimensional computational model of a single-cylinder production engine with a bore of 95 mm, a stroke of 110 mm and a compression ratio of 15.5(the effective volume ratio of the planar model is 12),and by solving the unsteady compressible conservation equations with a pressure-based solver and the standard k–epsilon turbulence model; piston motion was represented by a layering and spring-smoothing moving-mesh technique, and three cases were simulated: intake with fixed geometry, intake and exhaust with a moving piston, and motored compression and expansion. The most important results are that the fixed-geometry intake produced a single dominant toroidal vortex, whereas the moving piston produced one dominant clockwise vortex with two smaller counter-rotating vortices and a markedly asymmetric flow, that the exhaust stroke left residual vortical structures in the cylinder, and that motored compression reached a peak gauge pressure of 3.18 MPa and a peaktemperature of 808.6 K near top dead centre, accompanied by organized tumble and recirculation zones. The significance of the obtained results lies in showing that neglecting piston motion misrepresents the in-cylinder vortex structure, and in providing amesh-independent motored baseline on which fuel injection, combustion and emission models can be built.

Obiectivele principale ale studiului sunt caracterizarea structurilor tranzitorii ale curgerii reci în cilindrul unui motor cu aprindere prin comprimare, cuantificarea modului în care mișcarea pistonului modifică aceste structuri față de cazul unei geometrii fixe și determinarea evoluției presiunii și temperaturii în ciclul antrenat, ca bază pentru modelarea ulterioară a arderii. Aceste obiective au fost atinse prin elaborarea unui model computațional bidimensional al unuimotor monocilindric de serie, cu alezajul de 95 mm, cursa de 110 mm și raportul de comprimare de 15.5 (raportul efectiv al volumelor în modelul plan este de 12), precum și prin rezolvarea ecuațiilor nestaționare de conservare pentru un fluid compresibil, utilizând un solver bazat pe presiune și modelul standard de turbulență k–ε.Cele mai importante rezultate constau în faptul că admisia în cazul geometriei fixe a generat un singur vortex toroidal dominant, în timp ce mișcarea pistonului a generat un vortex dominant în sensul acelor de ceasornic, însoțit de două vortexuri mai mici care se rotesc în sens opus, precum și o curgere pronunțat asimetrică. De asemenea, la sfârșitul cursei de evacuare, în cilindru au rămas structuri vorticale reziduale, iar în timpul comprimării antrenate s-au atins, în apropierea punctului mort superior, o presiune manometrică maximă de 3.18 MPa și o temperatură maximă de 808.6 K. Semnificația rezultatelor obținute constă în demonstrarea faptului că neglijarea mișcării pistonului denaturează structura vorticală din cilindru și în furnizarea unei baze de referință independente de rețea pentru ciclul antrenat, pe baza căreia pot fi dezvoltate ulterior modele de injecție a combustibilului, de ardere și de formare a emisiilor.

Основными целями исследования являются описание нестационарных структур холодного течения в цилиндре двигателя с воспламенением от сжатия, количественная оценка того, как движение поршня изменяет эти структуры по сравнению с неподвижной геометрией, а также определение изменения давления и температуры в цикле прокрутки как основы для последующего моделирования горения. Цели были достигнуты путём построения двумерной расчётной модели одноцилиндрового серийного двигателя с диаметром цилиндра 95 мм, ходом поршня 110 мм и степенью сжатия 15.5 (эффективное отношение объёмов плоской модели равно 12) и решения нестационарных уравнений сохранения для сжимаемой среды с помощью решателя, основанного на давлении, и стандартной модели турбулентности k–эпсилон; движение поршня описывалось методом подвижной сетки с послойным добавлением и удалением ячеек и пружинным сглаживанием, при этом были рассчитаны три случая: впуск при неподвижной геометрии, впуск и выпуск с движущимся поршнем, а также сжатие и расширение в режиме прокрутки. Наиболее важные результаты заключаются в том, что при неподвижной геометрии впуск формирует один доминирующий тороидальный вихрь, тогда как при движущемся поршне образуются один доминирующий вихрь, вращающийся по часовой стрелке, и два меньших вихря противоположного вращения, а течение становится асимметричным; что к концу такта выпуска в цилиндре сохраняются остаточные вихревые структуры; и что при сжатии в режиме прокрутки вблизи верхней мёртвой точки достигаются максимальное избыточное давление 3.18 МПа и максимальная температура 808.6 К, сопровождаемые упорядоченным движением типа «тамбл» и зонами рециркуляции. Значимость полученных результатов состоит в демонстрации того, что пренебрежение движением поршня искажает вихревую структуру течения в цилиндре, а также в получении не зависящей от сетки базовой картины цикла прокрутки, на основе которой могут строиться модели впрыска топлива, горения и образования выбросов.