Riassunto analitico
Questo lavoro di tesi è il risultato di parte dell’esperienza fatta in Toyota Motor Europe a Bruxelles in Belgio, come tirocinante nella divisione “Powertrain” della sezione “Research and Planning”. Il progetto trattato è nato dalla volontà di Toyota di implementare la modalità di combustione PCCI nei suoi motori diesel, iniziando dal 15GD, un motore 2.8 litri turbo-diesel montato principalmente sui pick-up Toyota. L’obiettivo è quello di abbassare le emissioni e ridurre il consumo di combustibile. Dopo la calibrazione del motore per funzionare in modalità PCCI, i test al banco prova hanno confermato un sensibile miglioramento in termini di emissioni e consumo rispetto allo stesso motore operante con combustione diesel convenzionale. Tre sono i principali test presi in considerazione, caratterizzati dallo stesso regime motore e quantità di combustibile iniettata, ma diversi tempi di iniezione. I tre test sono poi stati simulati tramite simulazione della combustione 3D-CFD usando le metodologie validate per la combustione diesel convenzionale. L’incarico del progetto era infatti quello di verificare l’accuratezza di questa metodologia e validarla anche per la combustione PCCI. Ognuno dei tre test è stato simulato con due diversi setup con la principale differenza nel modello di combustione, ECFM-3Z per uno, ECFM-CLEH per l’altro. Dal primo confronto in termini di pressione in camera e rilascio di calore (HRR) tra i risultati dei test al banco e quelli delle simulazioni, il setup con il modello di combustione ECFM-CLEH è risultato quello più promettente, nonostante l’accuratezza necessitasse in ogni caso di un miglioramento. Dato che le tre condizioni operative presentavano lo stesso andamento, una tra esse è stata scelta come oggetto di studio. Differenti approcci sono stati adottati alla ricerca delle cause delle inesattezze nei risultati, partendo dall’analisi del modello dello spray. Il problema principale è stato infine trovato studiando il modello di combustione; la sorgente di inesattezza proveniva dal modo in cui il modello di combustione caratterizzava l’evoluzione della combustione diffusiva. Una volta raggiunto un miglioramento significativo, si è verificata l’accuratezza anche per le altre due condizioni operative. Toyota continuerà la validazione della metodologia per altre condizioni operative di interesse di modo da rendere via via più consistente la sua accuratezza. Tutto ciò per poter sfruttare questa metodologia come modello predittore per gli sviluppi successivi. Per motivi di riservatezza tutti i grafici verranno rappresentati privi di valori negli assi e le specifiche sulle condizioni operative non saranno menzionate.
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Abstract
This work of thesis comes from part of the experience done as intern in powertrain division under the Research & Planning section in Toyota Motor Europe, Brussels, Belgium. The project dealt in this document was born from Toyota intention to implement PCCI combustion mode on diesel engines starting from the 15 GD engine, a 2.8 litres turbo-diesel engine used mainly for Toyota pickups. The aim is to reduce pollutants emissions and fuel consumption at the same time. After the calibration for the PCCI combustion mode, the engine bench tests showed an actual improvement compared to conventional diesel combustion mode. Three main tests have been done, characterised by the same operating point (same rpm and fuel injected), but with different start of injection times. The three operating conditions have been simulated through 3D-CFD combustion simulation using the methodologies validated for the conventional diesel combustion. The task of the project was indeed to check the accuracy of the methodology and validate it for the PCCI combustion mode as well. Two different simulation setups have been run; the main difference among the two is the combustion model, ECFM-3Z model for the first and ECFM-CLEH for the other. From the first comparison in terms of in-cylinder pressure and apparent heat release rate between the experimental results and the simulations, the one characterised by ECFM-CLEH has been selected as most promising one, although the accuracy needed to be improved anyway. Since the three operating conditions showed the same behaviour the investigation has been done on only one of them. A lot of approaches have been tried, searching the causes of the inaccuracies first in the spray modelling. The problem was found then investigating on the combustion model, in particular the way the model dealt with the diffusive component of the combustion was the main source of the inaccuracies. Once a consistent improvement was reached, the accuracy has been checked for the two other operating conditions as well. As next step Toyota will continue the validation of the methodology also for the other operating points of interest to make the setup more and more consistent for using it as predictor for next developments.
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