Riassunto analitico
L’utilizzo di combustibili fossili nei settori dell’automotive e dei trasporti presenta delle chiare criticità legate sia alla natura inquinante della loro combustione, sia alla limitatezza delle risorse terrestri necessarie per produrli. Una delle possibili soluzioni alle problematiche legate ai combustibili tradizionali è rappresentata dai biocombustibili. Questi sono prodotti partendo da biomassa attraverso una grande varietà di processi e presentano la principale caratteristica di riuscire a mantenere neutrale il bilancio di gas serra in atmosfera durante tutto il loro ciclo di vita. Il loro processo produttivo consiste infatti nell’assorbimento di anidride carbonica nell’aria restituita poi nel momento della combustione. L’impiego di questi combustibili permetterebbe infatti di riutilizzare la biomassa di scarto attualmente prodotta e sfruttare nuove metodologie per il controllo degli inquinanti in atmosfera. Il lavoro di tesi si inserisce in questo contesto tramite uno studio relativo ai fenomeni di aspirazione e combustione in motori motociclistici alimentati sia da benzina tradizionale (E5) che da etanolo (E85) per valutare le effettive caratteristiche associate ai combustibili alternativi. Per poter studiare il comportamento interno al cilindro di questi ultimi si sono impiegate simulazioni di fluidodinamica computazionale tridimensionale da calibrare su dati sperimentali già in possesso del gruppo di ricerca. Il lavoro parte da uno studio approfondito del fenomeno di iniezione per poter valutare l’evaporazione del combustibile iniettato e la sua distribuzione nel cilindro nelle fasi antecedenti la combustione. Queste simulazioni, condotte in modalità multiciclo per garantire la convergenza del campo di moto nel dominio, ci hanno permesso di mettere a confronto il fenomeno di iniezione tra i due combustibili e valutare la natura del fenomeno di evaporazione e di formazione di un film liquido a parete. Validate le tracce medie delle proprietà del cilindro su dati sperimentali, ci si è poi focalizzati sul fenomeno di combustione. L’analisi numerica legata a quest’ultimo è stata messa direttamente a confronto con evidenze sperimentali di un motore motociclistico alimentato con E85. Il fenomeno è stato simulato sia mediante classiche simulazioni ECFM-3Z, sia tramite simulazioni dettagliate di cinetica chimica atte a valutare eventuali particolarità legate ad un combustibile costituito prevalentemente da etanolo. Il lavoro di ricerca ha permesso di validare i risultati attesi relativi ai fenomeni di iniezione e combustione sia in base alle evidenze sperimentali, sia in base alla ricerca bibliografica condotta a priori dell’attività di ricerca. Il progetto di tesi presenterà quindi come conclusioni un’analisi comparativa sia tridimensionale che bidimensionale di ciò che accade nel cilindro evidenziando come i risultati ottenuti siano coerenti con le differenti caratteristiche dei due combustibili impiegati portando in risalto fenomeni fisici che non sarebbe stato possibile valutare per via ottica nel motore.
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Abstract
The use of fossil fuels in the automotive and transport sectors presents clear issues related to both the polluting nature of their combustion and the limited earthly resources needed to produce them. One of the possible solutions to the problems related to traditional fuels is represented by biofuels. These are produced from biomass through a wide variety of processes and have the main characteristic of being able to maintain a neutral greenhouse gas balance in the atmosphere throughout their life cycle. Their production process indeed consists in the absorption of carbon dioxide in the air, which is then returned at the time of combustion. The use of these fuels would indeed allow the reuse of currently produced waste biomass and exploit new methodologies for controlling pollutants in the atmosphere. The thesis work fits into this context through a study related to the phenomena of aspiration and combustion in motorcycle engines powered by both traditional gasoline (E5) and ethanol (E85) to evaluate the actual characteristics associated with alternative fuels. To study the behavior inside the cylinder of these latter, three-dimensional computational fluid dynamics simulations were used, to be calibrated on experimental data already in possession of the research group. The work starts from an in-depth study of the injection phenomenon to evaluate the evaporation of the injected fuel and its distribution in the cylinder in the phases preceding combustion. These simulations, conducted in multi-cycle mode to ensure the convergence of the motion field in the domain, allowed us to compare the injection phenomenon between the two fuels and evaluate the nature of the evaporation phenomenon and the formation of a liquid film on the wall. Once the average traces of the cylinder properties were validated on experimental data, the focus was then on the combustion phenomenon. The numerical analysis related to the latter was directly compared with experimental evidence of a motorcycle engine powered with E85. The phenomenon was simulated both through classic ECFM-3Z simulations and through detailed chemical kinetics simulations to evaluate any peculiarities related to a fuel mainly consisting of ethanol. The research work allowed to validate the expected results related to the injection and combustion phenomena both based on experimental evidence and based on the bibliographic research conducted prior to the research activity. The thesis project will therefore present as conclusions a comparative analysis both three-dimensional and two-dimensional of what happens in the cylinder highlighting how the results obtained are consistent with the different characteristics of the two fuels used, highlighting physical phenomena that it would not have been possible to evaluate optically in the engine.
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