Numerical investigations of flash-boiling Gasoline Direct Injection sprays

Abstract

Gasoline Direct Injection (GDI) system is a new technology that is the combination of injection in diesel engines and ignition in gasoline engines. Comparing with the conventional methods of injection, it has many advantages including, fuel economy, higher engine power, lower engine knock tendency, NOx and cold-start HC emission rates. The operation of the GDI engine is affected by the processes of fuel injection, spray atomization and vaporization, charge cooling, air/fuel mixture preparation, and incylinder charge motion. Therefore, numerical modeling has an important role to improve all these factors affecting the engine. This thesis focuses on numerical analyses of the fuel sprays injected into a constant volume chamber by a single hole GDI injector under flash-boiling and non-flashboiling conditions. The aim of this thesis is to develop a numerical model that can be used in flash-boiling spray simulations and to validate the results of the numerical model against experimental data in terms of spray angle and spray penetration. Initially the GDI sprays were simulated by the standard spray simulation model of OpenFOAM solver package that was tuned for gasoline injections. Then the model was modified for both non-flashing and flashing spray simulations and the results were compared with experimental ones. It is concluded that; discharge coefficient and spray initial angle have critical impacts on the numerical results.

Benzinli doğrudan enjeksiyon (GDI) sistemi, dizel motorlardaki enjeksiyon ve benzinli motorlarda ki ateşlemenin birleşimidir. Konvansiyonel enjeksiyon yöntemleri ile karşılaştırıldığında, yakıt ekonomisi, daha yüksek motor gücü, daha düşük motor vuruntu eğilimi, NOx ve soğuk başlatma HC emisyon oranları gibi birçok avantajı vardır. GDI motorunun çalışması yakıt enjeksiyonu, püskürtme atomizasyonu ve buharlaştırma, soğutma, hava/yakıt karışımı hazırlığı ve silindir içi hareketlerden etkilenir. Bu nedenle, sayısal modelleme, motoru etkileyen tüm bu faktörleri iyileştirmek için önemli bir role sahiptir. Bu tez, kaynama ve normal koşullar altında tek delikli bir GDI enjektörü ile sabit bir hacim haznesine enjekte edilen yakıt spreylerinin sayısal analizini içermektedir. Bu tezin amacı, kaynayan sprey simülasyonlarında kullanılabilecek sayısal bir model geliştirmek ve deneysel verilere karşı nümerik modelin sonuçlarını sprey açısı ve sprey penetrasyonu açısından doğrulamaktır. Başlangıçta GDI spreyleri, OpenFOAM’ın benzin enjeksiyonları için ayarlanmış standart sprey simülasyon modeli ile simüle edilmiştir. Daha sonra model, hem kaynayan hem de normal püskürtme simülasyonları için modifiye edilmiş ve sayısal analiz sonuçları, deneysel veri ile karşılaştırılmıştır. Sonuc¸ olarak; deşarj katsayısı ve sprey başlangıç açısı, sayısal sonuçlar üzerinde kritik etkilere sahiptir.