Riassunto analitico
La nuova legislazione sugli agenti inquinanti sta imponendo vincoli sempre più stringenti sulle emissioni e sul consumo di combustibile per i motori a combustione interna. Per combinare le esigenze normative con quelle del mercato, i costruttori hanno fatto ampiamente uso del cosiddetto “downsizing”, una tecnica che consente incrementare la potenza specifica del motore e allo stesso tempo ridurre il consumo di combustibile. Tuttavia, considerando questa strategia, la BMEP (Break Mean Effective Pressure) aumenta drasticamente, comportando maggiori rischi di detonazione e combustioni anomale che possono compromettere il funzionamento del motore. Per controbilanciare la tendenza all’autoaccensione della miscela di aria e combustibile, i motori “downsized” sono in genere operati con angoli di accensione ritardati a scapito però di una minore efficienza termodinamica e di un incremento delle temperature allo scarico. Di solito, per evitare l’aumento della temperatura in ingresso in turbina e ridurre la tendenza alla detonazione, si adotta un arricchimento della miscela nonostante determini un impatto negativo sul consumo specifico di combustibile (BSFC). L’alternativa all’arricchimento analizzata in questo lavoro di tesi è l’iniezione d’acqua che, grazie al suo elevato calore latente di evaporazione (di gran lunga superiore a quello del combustibile), può essere sfruttata per abbassare le temperature della miscela fresca durante le corse di aspirazione e compressione, rivelandosi un approccio promettente per mitigare il knock e ridurre i consumi di combustibile. Tuttavia, l’aggiunta di un agente inerte come l’acqua provoca un rallentamento del processo di combustione per cui risulta necessario ricalibrare la combustione stessa, avanzando l’istante di accensione, in modo da mantenere gli stessi target di performance. Questo elaborato è stato condotto prendendo in esame la geometria simmetrica di un motore benzina turbocompresso 4 valvole operato a pieno carico e 5000 rpm. In primo luogo è stato necessario definire un modello tridimensionale costituito da un ridotto numero di celle per risparmiare costo computazionale e allo stesso tempo eseguire un elevato numero di simulazioni. Lo scopo dell’analisi è quello di esplorare diverse possibilità per l’iniezione di acqua e di combustibile e valutare i benefici in termini di evaporazione nel cilindro dell’acqua stessa e la conseguente riduzione della temperatura pre-accensione. La strategia adottata per calcolare la quantità di acqua da iniettare si basa sull’indice W/F ratio, cioè il rapporto tra massa di acqua e combustibile, dove quest’ultima è imposta così da ottenere una miscela globalmente stechiometria in camera. Le modalità in cui viene esaminata l’iniezione di acqua sono due: • PWI (Port Water Injection), iniezione nel condotto accoppiata con una strategia di iniezione diretta di combustibile in condizioni di dosatura stechiometrica (GDI λ=1); • DWI (Direct Water Injection), iniezione diretta in camera di combustione accoppiata con una strategia ideale di aspirazione di una carica premiscelata di aria e combustibile in condizioni di dosatura stechiometrica (Premix λ=1). Infine, per i casi con iniezione di acqua (GDI-PWI e Premix-DWI), si calibra nuovamente la combustione per portarsi a parità di MFB 50 dei casi solo combustibile in modo tale da sviluppare un confronto coerente in termini di combustione e detonazione rispettando il target di performance.
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Abstract
The new legislation on pollutants is imposing increasingly stringent restrictions on tailpipe emissions and fuel consumption for internal combustion engines. In order to combine such restrictions with the needs of the market, the focus of manufacturers has shifted towards “downsizing”, a technique that allows to increase the specific power of the engine and at the same time reduce fuel consumption. However, in this way the BMEP (Break Mean Effective Pressure) drastically increases, leading to greater risks of detonation and abnormal combustions which can compromise the reliability of the engine. To counterbalance the self-ignition of the air-fuel mixture, downsized engines are generally operated with delayed ignition angles, thus resulting in a lower thermodynamic efficiency and increased exhaust temperatures. To limit the temperatures at the turbine inlet and reduce the knock tendency, an enrichment of the mixture is usually adopted although it has a negative impact on the specific fuel consumption (BSFC). The alternative to enrichment analysed in the course of the thesis is the injection of water which, thanks to its high latent heat of evaporation (far higher than that of the fuel), can be exploited to lower the temperatures of the fresh mixture during the intake and compression strokes, demonstrating to be a rather promising approach to mitigate the knock and to reduce fuel consumption. However, the addition of an inert agent such as water causes a slowdown in the combustion process for which it’s necessary to recalibrate the combustion itself, advancing the ignition, in order to maintain the same performance targets. This thesis was conducted by examining the symmetrical geometry of a 4-valve turbocharged gasoline engine operated at full load and 5000 rpm. A preliminary preparation phase is then carried out in which the three-dimensional model is built with the aim of having a low number of cells to save computational cost and at the same time perform several simulations. The purpose of the analysis is to explore different possibilities for the injection of water and fuel and to evaluate the benefits in terms of evaporation of water within the cylinder and the consequent reduction of the pre-ignition temperature. The strategy adopted to calculate the amount of water to be injected is based on the W/F ratio, that is the ratio between the mass of water and fuel, where the latter is imposed in order to obtain a globally stoichiometric mixture in the chamber. There are two ways in which the injection of water is examined:
• PWI (Port Water Injection), injection into the intake port coupled with direct fuel injection strategy in stoichiometric mixture conditions (GDI λ = 1);
• DWI (Direct Water Injection), direct injection into the combustion chamber coupled with an ideal aspiration strategy of a premixed air-fuel charge in homogeneous stoichiometric mixture conditions (Premix λ = 1).
Finally, for the cases with water injection (GDI-PWI and Premix-DWI), the combustion is re-calibrated to reach the same MFB 50 of the only fuel cases and to develop a coherent comparison in terms of combustion and knock respecting the performance target.
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