Riassunto analitico
L’evoluzione dei motori a combustione interna ha assistito ad una svolta negli ultimi decenni. Fino alla metà del secolo scorso, infatti, la spinta evolutiva applicata a questa tecnologia puntava ad un incremento delle prestazioni, per cui il miglioramento dell’efficienza, e di conseguenza il contenimento dei consumi, erano una conseguenza del miglioramento apportato ai motori e non l’obiettivo principale della ricerca, e il contenimento delle emissioni inquinanti non era considerato. La situazione ha cominciato a cambiare a partire dai primi anni ’60, quando in California sono state emanate le prime regolamentazioni sulla limitazione delle emissioni inquinanti prodotte dai veicoli dotati di motori endotermici, e sono state poi prese misure analoghe nel resto degli Stati Uniti e in Europa a partire dai decenni seguenti. A partire dagli anni ’90 sono state emanate normative uniche su tutto il territorio europeo (normative EURO), progressivamente sempre più stringenti e con l’obiettivo di contenere le emissioni di tutti i tipi di inquinanti prodotti dai veicoli dotati di motore a combustione interna. In vista delle future normative sempre più rigide e della sempre maggiore attenzione al contenimento anche della CO2, diventerà sempre più complesso per i veicoli con motore Spark Ignition o Diesel riuscire a superare i test in fase di omologazione e al tempo stesso offrire basse emissioni di CO2. Da questo punto di vista, una delle più promettenti combustioni innovative è la combustione TJI (Turbulent Jet Ignition). Questo tipo di combustione è basato sull’utilizzo di una precamera all’interno della quale è montata la candela per effettuare l’accensione della carica. Questa precamera è solitamente piccola in confronto alle dimensioni della camera principale, e permette di effettuare una combustione molto veloce ed efficiente tramite l’espulsione di getti di prodotti di combustione parziale fortemente reattivi e dotati di un’elevatissima temperatura e turbolenza che fungono da innesco diffuso per la combustione nella camera principale reagendo con la miscela presente in quell’ambiente. La maggiore velocità di combustione permette di ridurre il fenomeno di detonazione, che nei motori spark ignition limita l’incremento del rapporto di compressione, e dunque l’efficienza, e permette di avere una velocità di combustione sufficientemente elevata nell’utilizzo di miscele ultramagre (λ>1.5-2) senza andare in contro ai fenomeni di instabilità ed elevata variazione ciclica tipici dei motori SI in tali condizioni operative. Questo lavoro di tesi ha l’obiettivo di produrre un modello CFD per la combustione SI ed uno per la combustione TJI in grado di correlare bene i dati sperimentali a disposizione utilizzando il software CFD commerciale Star-CCM+, in particolare il tool In-Cylinder. Il motore oggetto di studio è un motore ad accensione comandata ad alte prestazioni ad iniezione diretta testato nelle condizioni operative bmep=10, n=2000rpm, λ=1 sia in configurazione SI che TJI. In entrambe le configurazioni, il modello CFD viene poi sottoposto ad uno spark-sweep per verificarne la robustezza confrontandolo con l’analoga procedura effettuata sperimentalmente.
|
Abstract
The internal combustion engine evolution has witnessed a turning point in the last decades. In fact, until the half of the last century the evolutionary push applied to this technology was pointing to a performance rise, and so the efficiency increase, and consequently the better fuel economy, were a consequence of the improvement of the engines, and not the main research’s objective, and emissions reduction wasn’t considered. This situation changed in the first ‘60s, when in California have been issued the first regulations in the matter of limiting the pollutant emissions coming from internal combustion engine vehicles, and similar regulations were adopted in the following decades in the USA and in Europe. Starting from the first ‘90s have been issued unified regulations in the whole Europe (EURO regulations), progressively more and more severe with the objective of reducing all the pollutant emissions coming from the internal combustion engine vehicles. Looking at the future and more severe regulations, and at more attention paid to the containment of CO2 emissions, it is becoming more complex for spark ignition and Diesel engine vehicles to pass homologation tests and at the same time to offer low fuel consumption. From this point of view, one of the more interestingly innovative combustion is the TJI combustion (Turbulent Jet Ignition). This kind of combustion is based on the employment of a prechamber inside of which a sparkplug is placed to ignite the fresh charge. This prechamber is usually much smaller than the main chamber, and it allows to have a very fast and efficient combustion by expulsion of very hot and turbulent jet of partially burned products which ignites the fresh charge in the main chamber acting like a diffusive ignition. The faster combustion respect to the SI engine allows for a decreasing knocking risk, which in SI engines limit the compression ratio, and so the efficiency, and it allows to have a sufficiently fast combustion when using ultra-lean mixtures (λ>1.5-2) without instabilities phenomena and cycle to cycle variability seen in SI engines in that operating conditions. This thesis work has the objective of producing a CFD model for SI and TJI combustions able to have good correlation with experimental data by using the commercial CFD software Star-CCM+, particularly the tool In-Cylinder. The case study engine is a spark ignition high performance GDI engine tested at the operating conditions of bmep=10bar, n=2000rpm, λ=1 both in SI and in TJI configuration. In both configurations, the CFD model is also subjected to a spark-sweep to verify its robustness by comparison with experimental data.
|
