Riassunto analitico
In Europa, l'industria automobilistica deve adattarsi alla necessaria riduzione della produzione di CO2 di cui i veicoli sono responsabili. I produttori di auto devono destreggiarsi tra la ridondante proposta di fermare le vendite di veicoli con motore a combustione interna e l'imminente entrata in vigore della norma di omologazione Euro 7. In questo scenario, Porsche ha deciso di differenziare i propri investimenti sia per aiutare l'ambiente sia per continuare a costruire le auto emozionali che solo un marchio col suo heritage può fare. Oltre ad adeguarsi alla produzione di veicoli elettrici, ha infatti investito fortemente nella produzione di e-fuel. Si tratta di carburanti di nuova generazione creati miscelando l’idrogeno, ottenuto da un processo di sintesi, e la CO2 prelevata dall’ambiente, slegando la produzione del combustibile dalle fonti fossili.
Lo scopo di questo lavoro è stabilire una metodologia per costruire simulazioni 3D-CFD in grado di riprodurre il funzionamento di un motore a benzina con questo nuovo tipo di carburanti sintetici. Il software coinvolto è Simcenter STAR-CCM+, sviluppato da Siemens PLM Software, e in particolare il suo tool In-Cylinder.
Verrà introdotto un confronto sulla sensibilità del software ai diversi carburanti, incentrato tra l’SP98 di origine fossile (comune benzina Super Plus a 98 ottani) e due e-fuels prodotti da Porsche che d'ora in poi verranno chiamati Posyn 1 e Posyn 2.
Nella prima fase del lavoro ogni combustibile viene definito nelle sue proprietà principali per essere introdotto nell'interfaccia di STAR-CCM+. Verrà eseguita una calibrazione dello spray creando uno spray-box in cui si potrà osservare il comportamento del carburante, come negli esperimenti reali. La sensibilità dei modelli fisici alle alle proprietà dei combustibili è stata analizzata; quindi, è stata stabilita una configurazione generale per la calibrazione. I risultati simulati verranno confrontati con i dati sperimentali provenienti da un'analisi eseguita in una spray-chamber: sono stati simulati diversi punti operativi per slegare la calibrazione dal singolo esperimento.
Nella seconda fase, lo scopo è quello di esaminare cicli motore completi, all'interno dell'ambiente In-Cylinder, per ciascun carburante. Vengono quindi aggiunti all’ analisi lo scavenging, l'accensione e la combustione. La simulazione viene creata utilizzando la geometria di uno dei cilindri del motore reale, mentre le condizioni al contorno provengono da esperimenti svolti al banco di prova. Ogni carburante è stato preventivamente operato al banco prova in diverse configurazioni motore, in quanto i test sono stati effettuati in tempi diversi, rendendo impossibile un confronto diretto.
L'ultimo step consiste nell'effettuare una simulazione a pari configurazione del motore, in cui è possibile evidenziare le principali caratteristiche dei nuovi combustibili. Quindi un'ultima fase di post-processing ha reso i risultati significativi dal punto di vista ingegneristico.
Il lavoro si conclude con un'analisi critica del potenziale di una soluzione 3D-CFD e di come gli strumenti CAE possono aiutare a facilitare il processo di progettazione.
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Abstract
In Europe, the automotive´s industry has to adapt to the necessary reduction of CO2 production whose vehicles are responsible. Car manufacturers mainly must juggle between the redundant proposal to stop the internal combustion engine vehicle´s selling and the incoming Euro 7 homologation norm. In this scenario, Porsche has decided to differentiate its investments to both help the ambient and continue to build the emotional cars which only a brand with its heritage can do. Other than product electric vehicles, it has indeed put a lot of investments on e-fuel production. It is a question of new generation fuels created blending hydrogen, obtained from a synthesis process, and the environmental CO2. This unties the fuels production from the fossil sources.
The aim of this work is to establish a methodology to build 3D-CFD simulations able to reproduce a gasoline engine run with this new synthetic type of fuels. The involved software is Simcenter STAR-CCM+, developed by Siemens PLM Software, and especially its In-Cylinder tool.
Will be introduced a comparison on the sensitivity of the software to different fuels, focused among the fossil-sourced SP98 (common Super Plus gasoline with a 98 octane number) and two e-fuels produced by Porsche which will be called from now on Posyn 1 and Posyn 2.
At the first stage of the work each fuel is defined in its main properties in order to be introduced into the STAR-CCM+ environment. A spray calibration is going to be performed creating a spray-box in which the fuel´s behavior can be observed, as in real experiments. Physical models are analyzed in their sensitivity to fuels´ properties. Then, have been established a general setup for the calibration. The simulated results are going to be compared with experimental data coming from an analysis performed on a spray chamber: different operating points are tested to untie the calibration from the single experiment.
In the second stage, the scope is to perform full engine cycles, within the In-Cylinder environment, for each fuel. Scavenging, ignition, and combustion are added to the analysis. The simulation is created using the geometry of a single-cylinder from the real engine, while the boundary conditions come from test-bench experiments. Every fuel has been previously operated at the test-bench in different engine configurations, since the tests have been done in different times, making impossible to compare them in a direct way.
The last step consisted of to carry out a common engine configuration simulation in which highlight the main features of the new fuels. Then, a final post-processing phase made the results engineeringly meaningful.
The work concludes with a critical analysis of the potential of a 3D-CFD solution, and how CAE tools can help to ease the design process.
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