Riassunto analitico
Alcune strategie di iniezione innovative destinate ai motori GDI, quali ad esempio la “ultra-lean combustion” e l’iniezione d’acqua, rappresentano un valido punto di partenza per l’ulteriore sviluppo tecnologico dei motori a combustione interna, specie in vista di un aumento della penetrazione dei veicoli ibridi nel mercato dell’automobile. Entrambe le strategie offrono numerosi vantaggi, quali l’aumento dell’efficienza e la riduzione delle emissioni inquinanti. Nel presente lavoro di tesi, viene svolta un’indagine sperimentale delle due strategie, allo scopo di valutare gli effetti di entrambe sul processo di combustione. L’attività sperimentale ha previsto la caratterizzazione termodinamica della combustione, affiancata dalla visualizzazione della fiamma, in un motore ad accensione comandata ed iniezione diretta “wall-guided” dotato di accesso ottico. La velocità di rotazione è stata mantenuta costante e pari a 2000 rpm e il motore è stato alimentato con benzina commerciale, in condizioni “wide open throttle” (WOT), per entrambe le strategie. Per ciò che concerne la “ultra-lean combustion”, il rapporto aria/combustibile relativo λ è stato fatto variare in un intervallo compreso tra 1 e 1.4, al fine di avere condizioni di funzionamento accettabili dal punto di vista della variabilità ciclica. In tutti i casi, l’anticipo all’accensione è stato fissato in corrispondenza del MBT. Tuttavia, il caso più magro ha mostrato valori del COVIMEP prossimi al 6%, dunque inferiori al 10%, assunto come soglia in ambito automobilistico. Inoltre, l’aumento della diluizione della carica ha contribuito a rallentare il processo di combustione, oltre a provocare un aumento della distorsione della fiamma rispetto alla forma circolare. L’analisi della concentrazione degli inquinanti allo scarico non diluito, invece, ha mostrato che lo smagrimento della carica ha un effetto positivo sulle emissioni di CO e NOx. L’analisi delle fiamme diffusive associate alla presenza di combustibile liquido, inoltre, ha mostrato che l’aumento del rapporto aria-combustibile contribuisce a ridurre la quantità di particolato emessa. Gli effetti dell’iniezione d’acqua nella camera di combustione sono stati valutati considerando due diverse configurazioni, in condizioni di miscela stechiometrica: 0% e 30% di acqua. Le percentuali di acqua sono state valutate a partire dalla quantità di combustibile iniettata. L’effetto principale dell’iniezione d’acqua è la riduzione delle temperature raggiunte durante la combustione, che ha effetti positivi sulle emissioni di NOx, oltre che sulla tendenza alla detonazione. In più, la riduzione della temperatura della carica, dovuta alla vaporizzazione dell’acqua, determina un aumento della densità della carica stessa, dunque un miglioramento del rendimento volumetrico. Tuttavia, anche tale strategia comporta una riduzione della velocità di combustione, specie nelle prime fasi del processo, il che determina l’aumento delle emissioni di idrocarburi incombusti. Inoltre, dall’analisi dei dati di opacità e dalla visualizzazione delle fiamme diffusive, è stato osservato che l’immissione di acqua all’interno della camera di combustione comporta un aumento del numero di particelle emesse allo scarico.
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Abstract
Several innovative injection strategies for GDI power units, such as "ultra-lean combustion" and water injection, represent a valid starting point for further technological development of internal combustion engines, especially in view of an increase in the penetration of hybrid vehicles in the automotive market. Both strategies offer many advantages, such as increasing efficiency and reducing polluting emissions. In this thesis work, an experimental investigation of the two strategies is carried out, in order to evaluate their effects on the combustion process. The experimental activity involved thermodynamic characterization of combustion, supported by the visualization of the flame, in a wall-guided direct injection spark ignition engine, equipped with optical access. For both strategies, the engine was operated at 2000 rpm, in wide open throttle (WOT) conditions, and commercial gasoline fueling. For "ultra-lean combustion" conditions, the relative air-fuel ratio λ was varied in a range between 1 and 1.4, in order to have acceptable operating conditions in terms of cyclic variability. In all cases, the spark advance was set at maximum brake torque (MBT). However, the leanest case showed COVIMEP values close to 6% and thus lower than 10%, that is assumed as a threshold in automotive field. Furthermore, the increase in charge dilution has contributed to slow down the combustion process, as well as causing an increase in flame distortion compared to the circular shape. On the other hand, the analysis of the concentration of pollutants at the undiluted exhaust showed that mixture leaning has a positive effect on the CO and NOx emissions. Furthermore, the analysis of the diffusive flames, associated with the presence of liquid fuel films, has shown that the increase in the air-fuel ratio helps to reduce soot concentration. The effects of water injection in the combustion chamber were evaluated considering two different configurations, in stoichiometric mixture conditions: 0% and 30% of water. Water percentages were evaluated starting from the quantity of injected fuel. The main effect of water injection is the reduction of temperatures reached during combustion, which has positive effects on NOx emissions, as well as on knock tendency. Furthermore, the reduction of the mixture temperature, due to the vaporization of the water, determines an increase in the density of the mixture itself, therefore a gain in volumetric efficiency. However, even this strategy involves a reduction in the combustion speed, especially in the early stages of the process, which determines the increase in unburned hydrocarbon emissions. Furthermore, from the analysis of the opacity data and from the visualization of the diffusive flames, it was observed that the introduction of water in the combustion chamber causes an increase of particle number at the exhaust.
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