This thesis deals with the numerical 3D simulation of a four stroke, spark-ignited, internal

combustion engine, which is mounted on a high performance motorcycle. The work, carried out

in collaboration with Politecnico di Milano and MV Agusta, focuses on the simulation of the

intake, compression and expansion stroke, including combustion simulation, using an open

source CFD code.

Simulation of internal combustion engines offers a great challenge in the field of CFD research.

Moving boundaries of the solution domain, caused by the motion of the piston and valves, leads

to deformation of the computational grid, with decreasing quality of the solution as result. Based

on this, a previously developed mesh motion strategy was employed where a number of meshes

are used to cover the whole simulation cycle. Within each mesh interval the internal cell points

of the mesh are moved to account for the boundary motion of the piston and valves. This strategy

was previously applied to simplified geometries as well as real engine geometries. The purpose

of this work is to show its validity for a real and complex engine geometry, covering a longer

simulation interval then previously.

After an initial description of the mesh creation process, studies of the in-cylinder charge motion,

created during the intake stroke, were made to investigate the presence of a tumble motion. The

result shows that a strong tumble motion is not generated. This could also be because of

numerical diffusion caused by the mesh structure. Furthermore, investigations were made to see

why the present engine has a tendency to knock. The simulations showed that the in-cylinder

flow field creates a temperature distribution in the cylinder that is not uniform, possible

increasing the knock risk close to the exhaust valves. Lastly, simulations of the combustion

process were made using the Weller combustion model. Problems causing a calculated

turbulence intensity that was too low for proper flame propagation were apparent, leading to

inconsistency between the calculated cylinder pressure of the CFD calculation and the calibrated

1D calculation.

Detta examensarbete behandlar numerisk 3D simulering av en fyrtakts, Otto förbränningsmotor

som sitter på en högprestanda motorcykel. Arbetet, som har utförts i samarbete med Politecnio di

Milano och MV Agusta, fokuserar på simulering av insugs-, kompressions- och

expansionsslaget, inklusive förbränningssimulering, genom användandet av en CFD mjukvara

med öppen källkod.

Simulering av motorer med intern förbränning är en stor utmaning inom CFD forskning.

Förflyttning av randerna för lösningsdomänen, orsakad av rörelserna från kolv och ventiler, leder

till deformation av meshen, med försämrad kvalitet av lösningen som resultat. Baserat på detta

har en tidigare utvecklad mesh rörelse strategi applicerats, som går ut på att ett antal mesher

används för att täcka hela simulerings cykeln. Inom varje mesh interval så förflyttas de interna

cell punkterna för att anpassa meshen efter kolvens och ventilernas rörelse. Denna strategi har

tidigare applicerats på en förenklad geoemtri samt på en riktigt motor geometri. Syftet med detta

arbete är att validera denna strategi för en riktig och komplex motor geometri, som täcker ett

längre simuleringsinterval än tidigare.

Efter en initial beskrivning av tillverkningsprocessen för meshen, har studier gjorts av

luftrörelserna i cylindern, skapad under insugsslaget, för att undersöka en eventuell

tumblerörelse. Resultaten visar att en tydlig tumblerörelse inte genereras. Detta kan bero på

numerisk diffusion orsakad av meshstrukturen. Vidare har undersökningar gjorts för att se varför

den aktuella motorn har en tendens att knacka. Simuleringarna visade att flödesfältet i cylindern

ger en temperaturdistribution som inte är uniform och som möjligen ökar risken för knack nära

avgasventilen. Slutligen har simuleringar av förbränningsprocessen gjorts genom användandet av

Wellers förbänningsmodell. Problem upptäcktes som ledde till en beräknad turbulensnivå i

cylindern som var för låg för en lämplig flamutbredning, vilket ledde till att det beräknade

cylindertrycket var inkonsekvent med de kalibrerade 1D simuleringarna.