Riassunto analitico
Una delle sfide che i motori stradali devono affrontare oggi è la sostenibilità ambientale: la limitazione delle emissioni e la riduzione dei consumi. A questo scopo oggi, il concetto di accensione con pre-camera sta guadagnando attenzione grazie al suo comprovato potenziale nel migliorare l'efficienza termica dei motori Spark-Ignition (SI). I principali vantaggi di questo concetto di accensione includono la riduzione della durata di combustione che generalmente porta ad una riduzione della presenza di detonazione, il miglioramento della stabilità di combustione e l'aumento dell'efficienza di combustione riducendo le emissioni di CO e HC. Più specificamente, la combustione viene avviata nel ristretto volume della precamera causando, grazie al gradiente di pressione tra la precamera e la camera principale, la diffusione getti di gas bruciati nel cilindro (Turbulent Jet Ignition), inducendo così una miscela magra ad essere bruciata nel cilindro principale e cosi facendo ad un calo delle potenziali emissioni.
In questo lavoro si indaga il potenziale di un sistema dotato di precamera su un motore SI per applicazione motociclistica.
La prima parte di questa tesi magistrale riguarda la presentazione dell'attività sperimentale complessiva condotta al banco prova e dei dati estratti che mostrano i parametri indicati, le pressioni in precamera e nella camera principale e alcune altre grandezze importanti quali: consumo di carburante, valore lambda o l'anticipo di accensione. A partire da tali dati misurati i valori di prestazione rilevanti vengono calcolati e confrontati con la soluzione SI standard, ad esempio MFB, AHRR, IMEP. La seconda parte è invece focalizzata sulla calibrazione del modello di combustione 3D-CFD del sistema standard SI e poi di quello TJI basato sui dati sperimentali evidenziati in precedenza. Il software STARCCM+ In-Cylinder viene utilizzato per effettuare tutte le analisi; sono stati confrontati diversi modelli per l'accensione della miscela e sono state eseguite diverse calibrazioni nel modello di propagazione della fiamma. Per la modellazione della combustione viene utilizzato il modello ECFM-3Z, per l'accensione invece sia il modello FI che ISSIM. Per quanto riguarda la correlazione LFS per modellare la propagazione della fiamma l'equazione Metghalchi e Kech è stata impiegata. Dopo aver ottenuto una corrispondenza ragionevole tra la curva sperimentale e quella simulata, viene presentato il confronto tra il modello calibrato SI e il modello calibrato TJI per evidenziare quali sono i vantaggi derivanti da un'applicazione precamera. Infine sono state condotte ulteriori analisi per verificare la robustezza del modello (simulazione di cicli motore multipli, variazione delle grandezze di turbolenza, mesh diverse ecc.) e i risultati sono mostrati nell'ultima parte del lavoro.
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Abstract
One of the challenges road engines have to face nowadays is environmental sustainability: restrictions of emissions’ standards and consumption reduction. For this purpose today, the pre-chamber ignition concept is gaining attention due to its proven potential for improving the thermal efficiency of Spark-Ignition (SI) engines. The main benefits of this ignition concept include the shortening of the combustion duration generally leading to a knock reduction, the improvement of combustion stability and the increase of combustion efficiency by lowering CO and HC emissions. More specifically, combustion is started in the narrow prechamber volume causing, thanks to the pressure gradient between pre- and main chamber, burnt gases jets to diffuse into the cylinder (Turbulent Jet Ignition), thus inducing a lean mixture to be burnt in the main cylinder which lead to a drop down of the potential emissions.
In this work the potential of the prechamber system is investigated on a motorbike SI engine.
The first part of this master thesis deals with the presentation of the overall experimental activity conducted at the test bench and of the data extracted that show the indicated parameters, in-cylinder pressures, and some other important quantities such as: fuel consumption, lambda value or the spark advanced. Starting from those measured data relevant performance values are calculated and compared to standard SI solution, for example MFB, AHRR, IMEP. The second part is, instead, focused on the 3D-CFD combustion model calibration of the standard SI system and then of the TJI one based on the experimental data highlighted previously. The software STARCCM+ In-Cylinder is used to compute all the analysis; several models for the ignition of the mixture have been compared, and several adjustments in the flame propagation model have been done. The setup used is ECFM-3Z model for combustion and both FI and ISSIM for modelling the ignition. For what concern the LFS correlation to model the flame propagation Metghalchi and Kech equation is employed. After a reasonable match between experimental and simulated curve is achieved, the comparison between the SI and the TJI calibrated model is presented to highlight which are the benefits that arise from a prechamber application. Finally further analysis to test the robustness of the model has been conducted (multiple engine cycles simulation, turbulence quantities change, different mesh etc.) and the results are shown in the very last part of the work.
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