Spatially Resolved Experimental and Numerical Investigation of the Flow through the Intake Port of an Internal Combustion Engine

Étude numérique et expérimentale résolue dans l’espace de l’écoulement à travers le conduit d’admission d’un moteur à combustion interne

¹ Chair of Numerical Thermo-Fluid Dynamics, TU Bergakademie Freiberg, Fuchsmühlenweg 9, 09599 Freiberg – Germany
² Institute for Combustion and Gas Dynamics, University of Duisburg-Essen, Lotharstraße 1, 47057 Duisburg – Germany
frank.hartmann@iec.tu-freiberg.de – sebastian.kaiser@uni-due.de

^* Corresponding author

Abstract

Modern spark-ignited internal combustion engines have intake ports designed to introduce high levels of so-called “tumble” charge motion. Correspondingly high shear rates can lead to high fluctuations and turbulence within the combustion chamber. A suitable test case to characterize the intake flow is a steady-state flow bench. Although routinely used in the engine development process to determine the global discharge coefficients, only a few detailed numerical and experimental studies use this test case to analyze the flow in the vicinity of the valve with high spatial and temporal resolution. In this paper, we combined highly resolved two-dimensional, two-component Particle Image Velocimetry (PIV) measurements and numerical simulations using a Detached-Eddy Simulation (DES) model to characterize engine-relevant flow features on a flow bench. The spatial resolution of numerical simulations on two different grids is assessed and compared to that of the PIV measurement. The results of simulations and experiment are then compared in terms of their mean and fluctuation velocity fields and the jet orientation. A detailed study of the area around the valve seats investigates the validity of wall functions in this region. Finally, we examine structures induced by vortex-shedding at the valve stem and if they are transported into the combustion chamber.

Résumé

Les moteurs à combustion interne modernes à allumage commandé disposent de conduits d’admission conçus pour générer des niveaux importants de mouvements de charge dits « tumble ». Les niveaux importants de taux de cisaillement qui en résultent peuvent conduire à de fortes fluctuations et turbulences dans la chambre de combustion. Un cas test adapté pour caractériser l’écoulement d’admission est un banc volute. Bien que son utilisation durant les phases de conception moteur pour déterminer les coefficients de perte de charge globaux soit très répandue, seules quelques études numériques et expérimentales détaillées utilisent ce test pour étudier l’écoulement au voisinage de la soupape avec des résolutions spatiales et temporelles élevées. Dans le présent article, nous avons combiné des mesures PIV bi-composants, bidimensionnelles hautement résolues et des simulations numériques utilisant une approche de type « Detached-Eddy Simulation » pour caractériser des structures d’écoulement d’importance pour le moteur sur un banc volute. La résolution spatiale des simulations numériques est évaluée sur deux maillages et comparée à celle de la mesure « Particle Image Velocimetry », PIV. Les résultats numériques et expérimentaux sont ensuite comparés en termes de champ de vitesse moyen et fluctuant et d’orientation des jets. Une étude détaillée du siège de soupape est réalisée pour vérifier la validité de lois de paroi dans cette zone. Enfin, nous examinons les structures induites par les détachements tourbillonnaires autour de la tige de soupape et si elles sont transportées dans la chambre de combustion.