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La tipologia di combustione denominata TJI (Turbulent Jet Ignition) è una di quelle attualmente più interessanti e in fase di sviluppo, in quanto se opportunamente calibrata consente di ridurre notevolmente le emissioni inquinanti, andando a lavorare con miscele più magre rispetto ad una normale combustione con spark ignition. Ulteriori vantaggi di questa tecnologia di combustione, che è stata teorizzata in realtà da diverso tempo nonostante le maggiori applicazioni siano molto recenti, sono la possibilità di ridurre notevolmente anche il consumo di combustibile, oltre che ad esempio quello di andare ad aprire maggiormente la farfalla (riducendo quindi le perdite di pompaggio) avvicinandosi ad una regolazione del carico tipica dei motori ad accensione spontanea (variando quindi la massa di combustibile iniettato).
Dato che a livello sperimentale e di simulazione questa tipologia di combustione non è ancora stata caratterizzata totalmente a livello fisico-chimico, come obiettivo iniziale si è deciso di testare due diversi modelli di combustione (ECFM-3Z e Detailed Chemistry) con lo scopo di valutare quale fosse il più adatto a simulare proprio questa tipologia innovativa di combustione: i due modelli in combustione sono il modello di combustione Flamelet ECFM-3Z, generalmente utilizzato in ambito motoristico, ed il modello Detailed Chemistry, nel quale vengono modellate senza approssimazioni tutte le specie chimiche che compongono la miscela ed entrano in gioco nel meccanismo di reazione scelto (nel nostro caso propano-aria).
In questo lavoro di ricerca si è partiti da alcune precamere statiche, geometricamente molto semplici, ed a queste è stata associata una RCM (Rapid Compression Machine) per generare turbolenza all’interno della precamera e della camera principale; dopo la corsa di compressione, quindi, si ha che il pistone resta fermo al TDC e di conseguenza la combustione avviene a volume costante, diversamente da quanto avviene in un normale motore a combustione interna. In particolare le prove sono state effettuate su due diverse tipologie di precamere, per forma e dimensioni, seguendo una metodologia di lavoro simile per entrambe. La mesh dell’assieme di precamera e camera è stata realizzata con il software Star-CCM+, mentre quella della RCM nel modulo es-ice di Star-CD, dopodichè queste due venivano accoppiate ed il setting del caso veniva realizzato appunto all’interno di es-ice e dello stesso Star-CD, utilizzato per le simulazioni In-Cylinder.
Con tutta la serie di casi testati, per avere un confronto esaustivo tra i due modelli di combustione utilizzati si è andati a valutare l’effetto della variazione di alcuni parametri geometrici, quali il diametro del foro di collegamento tra precamera e camera principale (oltre alle differenze tra le due diverse precamere per quanto riguarda volume e lunghezza del foro) e a parità di altre condizioni si è anche andati a variare la composizione della miscela, passando da una miscela stechiometrica ad una miscela magra, anche se comunque molto lontana dai limiti di accendibilità di una miscela propano-aria. Dall’analisi dei risultati ottenuti, anche per quanto riguarda i regimi di combustione seguiti per i vari modelli, si è provato a stabilire quale fosse il modello di combustione più idoneo per lo studio della combustione TJI, e quali potranno essere eventualmente gli accorgimenti necessari affinchè si possano ottenere risultati ancora più soddisfacenti.

The combustion type called TJI (Turbulent Jet Ignition) is one of the most interesting among those currently under development, as if properly calibrated it allows to considerably reduce polluting emissions, working with leaner mixtures compared to a normal combustion with spark ignition. Further advantages of this combustion technology, which has been theorized in reality for a long time despite the major applications are very recent, are the possibility of significantly reducing fuel consumption, as well as, for example, that of a greater throttle opening (thus reducing pumping losses) approaching a load regulation typical of compression ignition engines (thus varying the mass of fuel injected). Given that at an experimental and simulation level this type of combustion has not yet been fully characterized at the physico-chemical level, as an initial objective it was decided to test two different combustion models (ECFM-3Z and Detailed Chemistry) with the aim of evaluating which was the most suitable to simulate this innovative type of combustion: the two combustion models are the Flamelet ECFM-3Z combustion model, generally used in the automotive field, and the Detailed Chemistry model, in which all chemical species that make up the mixture and take part in the chosen reaction mechanism (in our case propane-air) are modeled without approximations. In this research work we started from some static prechambers, geometrically very simple, and a RCM (Rapid Compression Machine) was associated to them in order to generate turbulence inside the prechamber and the main chamber; after the compression stroke, therefore, the piston remains stationary at the TDC and consequently combustion occurs at a constant volume, unlike what occurs in a normal internal combustion engine. In particular, the tests were carried out on two different types of pre-chambers, in terms of shape and size, following a similar working methodology for both. The mesh of the pre-chamber and chamber assembly was created with the Star-CCM + software, while that of the RCM in the es-ice module of Star-CD, after which these two were coupled and the setting of the case was carried out precisely within es-ice and the same Star-CD, used for In-Cylinder simulations. With the whole series of cases tested, in order to have an exhaustive comparison between the two combustion models used, we went to evaluate the effect of the variation of some geometric parameters, such as the diameter of the connection hole between the pre-chamber and the main chamber (in addition to the differences between the two different pre-chambers as regards the volume and the hole length) and other conditions being equal, the composition of the mixture was also varied, passing from a stoichiometric mixture to a lean mixture, although still very far from the ignitability limits of a propane-air mixture. From the analysis of the results obtained, also with regard to the combustion regimes used for the various models, it was tried to establish which was the most suitable combustion model for the study of TJI combustion, and what may possibly be the necessary precautions so that even more satisfactory results can be obtained.