Riassunto analitico
L’attività di ricerca svolta è stata caratterizzata dallo studio della modellazione fluidodinamica tridimensionale dei principali fenomeni che coinvolgono flussi reagenti nei motori a combustione interna. Il fine principale è stato quello di determinare la corretta evoluzione fisica, spaziale e temporale, di tali flussi all’interno dei motori per favorire la corretta interpretazione dei fenomeni chimico-fisici e la predizione delle prestazioni dei motori. Lo sviluppo e la produzione di un motore endotermico alternativo sono soggetti alle norme legislative ed alle leggi del mercato, che impongono la realizzazione di motori caratterizzati da bassi consumi, alte prestazioni e basso contenuto di emissioni inquinanti allo scarico. Poiché questi tre obiettivi sono strettamente correlati alla qualità del processo di combustione, l’industria automobilistica ha concentrato gli sforzi della ricerca verso l’identificazione dei fenomeni fisici che controllano la qualità di tale processo e la formazione delle emissioni inquinanti. In questo contesto l’analisi CFD si integra nel processo progettuale come strumento in grado di restituire informazioni specifiche e di dettaglio che possano poi essere spese per acquisire maggiore consapevolezza sulle fenomenologie di interesse e per indirizzare la progettazione verso lo sviluppo di nuovi sistemi e nuove strategie. Durante l’attività svolta si sono analizzati i modelli di combustione attualmente implementati all’interno dei codici di calcolo commerciali al fine di scoprirne potenzialità e limiti per ognuna delle modalità di combustione incontrate e tipiche dei moderni motori a combustione interna. L’analisi è stata infatti condotta su differenti tipologie di propulsore/combustibile. Questo ha permesso di acquisire una visione trasversale rispetto alle singole applicazioni considerate, generalizzando l’approccio modellistico in base ai modi di combustione più che non allo specifico sistema motore/combustibile analizzato. In ogni caso, essendo molteplici i fenomeni che influenzano le modalità con cui poi la combustione avviene, si è resa necessaria, preliminarmente, la modellazione dei processi di ricambio della carica e delle strutture di moto che si instaurano all’interno della camera di combustione. Come è noto infatti, le strutture turbolente che si instaurano all’interno della camera di combustione hanno una notevole influenza sul modo in cui i processi di miscelamento aria/combustibile e di combustione hanno poi luogo. Si è valutata in particolare l’influenza dei modelli di turbolenza e di approccio a parete sul campo di moto medio in camera e sulle strutture turbolente instauratesi in essa. Per quel che riguarda le modalità di combustione tipiche dei motori a benzina, le indagini, supportate dai dati sperimentali forniti dal DIME dell’università Federico II di Napoli, sono state condotte per lo più su un piccolo motore 2T carter-pompa. In questo caso, lo scopo principale è stato quello di individuare potenzialità e limiti legati all’utilizzo di un combustibile considerato “pulito” quale il Natural Gas. Individuato quale flamelet il regime di combustione, si sono indagati aspetti legati al primissimo sviluppo del kernel di fiamma, alle modalità di propagazione del fronte in camera ed alla sua interazione con il campo di moto. Si è valutato, in relativo, il comportamento del combustibile rispetto ad una benzina tradizionale, la diversa interazione con l’ambiente circostante e le prestazioni fornite a pari condizione operativa. Se ne è valutato poi il limite di detonazione portandosi in condizioni di funzionamento sempre più estreme. Per quel che riguarda la combustione nei motori ad accensione per compressione, gli aspetti principalmente indagati sono stati il ritardo all’accensione e l’effetto sullo sviluppo della combustione dato dall’interazione tra la turbolenza intrinseca del getto ed il campo di moto presente in camera.
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Abstract
The proposed research activity focuses on the modeling of the phenomena involved during the combustion process in internal combustion engines.
In recent years, increasingly stricter anti-pollution regulations have addressed the research and development of internal combustion engines towards much more environmentally-friendly spark and compression -ignited engines. In order to meet the new anti-pollution requirements, different strategies based on innovative injection systems and combustion processes or alternative fuels are studied: much more complex chemistry mechanisms are now involved and this implies the need to address the problem in a more sophisticated way from a numerical point of view. In a scenario like this, detailed CFD analyses are used to accurately model the complex set of physical and chemical processes and to properly estimate the fluid-dynamic behavior of the engine, which is otherwise difficult to be experimentally determined.
The analyses are carried out on two- and four- stroke engines fuelled both with conventional and alternative fuels: this aiming at generalizing the modeling approach respect to the combustion modes and the specific engine / fuel analyzed. Because of the influence that in-cylinder large scale and small scale turbulent structures have in the mixing process and subsequently in the combustion process and in the pollutant emissions, the flow motion during the intake and compression strokes is at first investigated. In order to assess the accuracy of the adopted numerical approach, comparisons between simulation forecasts and experimental measurements of instantaneous in-cylinder pressure history for steady-state operations of the engine are then performed and discussed.
A combined numerical and experimental activity aiming at characterizing the behavior of a small displacement SI 2-stroke engine fuelled with gasoline and Natural Gas is reported in order to investigate the potential benefits due to the use of a “greener” fuel. Numerical tools are used to investigate the early stages of the flame kernel development, the propagation of the flame front and its interaction with the in-cylinder flow-field. The knock limit of the gasoline-fuelled and CNG-fuelled engines is finally investigated under much more critical operating conditions.
With reference to a 4-stroke diesel- fuelled engine, the influence of the ignition delay and the effect of the interaction between in-cylinder turbulence and spray turbulence on the development of combustion is investigated.
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