Riassunto analitico
Negli ultimi anni le autovetture e, più in generale, il settore dei trasporti sono stati oggetto di profonde trasformazioni e indagini in termini di inquinanti e anidride carbonica (CO2). I costruttori di veicoli e di motori a combustione interna (ICE) sono obbligati a conformarsi alle ultime leggi e regolamenti, essendo parte dello standard di omologazione. Gli standard europei sulle emissioni sono stati introdotti per la prima volta nel 1992 con la designazione di Euro 1 e promuovono le normative sugli inquinanti progressivi e sempre più stringenti per tutti gli Stati membri dell'UE. Queste normative si concentrano sulle principali emissioni di inquinanti nei motori ad accensione comandata (SI) e ad accensione per compressione (CI), che sono ossido di carbonio (CO), ossidi di azoto (NOx), idrocarburi incombusti (UHC) e particolato (PM). Inoltre, viene fissato un limite per la flotta media dei produttori per l'anidride carbonica (CO2), costringendoli a pagare una tassa per ogni veicolo per ogni grammo di CO2 che supera tale limite.
Questi cicli di test e queste normative, che si evolvono di anno in anno, incoraggiano i produttori a migliorare le tecnologie esistenti mentre ne sviluppano di nuove come il downsizing, l'alzata variabile delle valvole (VVL) e la fasatura variabile delle valvole (VVT), il ricircolo dei gas di scarico ad alta pressione (EGR) o l'iniezione d'acqua; inoltre, i test RDE (Real Driving Emission) forniscono obiettivi di consumo di carburante, CO2 ed emissioni inquinanti più rappresentativi delle condizioni del mondo reale. Ingegneri e ricercatori si sono anche concentrati sullo sviluppo di sistemi di combustione a bassa temperatura (LTC), che potrebbero consentire una significativa riduzione di NOX grazie alla temperatura più bassa all'interno del cilindro, possibilmente aumentando l'efficienza del motore. Nonostante questi tipi di sistemi di combustione traggano vantaggio dai motori SI e CI, il loro design è impegnativo in termini di controllo della combustione e di raggiungimento di condizioni termodinamiche favorevoli all'interno del cilindro. L'unico sistema LTC sul mercato è stato sviluppato da Mazda Motor Corporation, con il nome di Sky Activ X. Questo sistema di combustione è chiamato Spark Assisted Compression Ignition (SACI), o Spark Controlled Compression Ignition (SPCCI) e combina la propagazione della fiamma del motore SI e l'autoaccensione del motore CI. A tal proposito, lo scopo della presente tesi è determinare le condizioni termodinamiche per eseguire una combustione SACI e analizzare il comportamento del motore attraverso simulazioni numeriche mediante un software CFD-3D, ovvero AVL Fire. Nell'introduzione di questo lavoro verranno presentate le ultime normative in vigore nell'Unione Europea e diverse tipologie di motori innovativi. Seguirà la discussione della metodologia implementata. Inizialmente, le condizioni al contorno e iniziali per le simulazioni CFD-3D saranno determinate tramite un software 1-D opportunamente sintonizzato. Una revisione della letteratura supporterà la costruzione di una matrice di casi di simulazione per analizzare la risposta del motore a diverse condizioni iniziali e operative. Inoltre, verranno eseguite simulazioni numeriche con varie quantità di EGR e diversi tempi di iniezione. Infine, verranno presentati e discussi i risultati.
Il capitolo conclusivo fornisce alcuni possibili sviluppi futuri.
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Abstract
Over the last years passenger cars and, more in general, the transport sector have been subject of deep transformation and investigation in terms of pollutants and Carbon Dioxide (CO2). Vehicles and Internal Combustion Engines (ICE) manufacturers are forced to be compliant with the latest laws and regulations, being part of the Homologation Standard. European emission standards were first introduced in 1992 under the designation of Euro 1 and stage the progressive and increasingly tightening pollutants regulations for all EU Member States. These regulations focus on the main pollutants emissions in Spark Ignition (SI) and Compression Ignition (CI) engines, which are Carbon Oxide (CO), Nitrogen Oxides (NOx), Unburnt Hydrocarbons (UHC) and Particulate Matter (PM). In addition, a limit for manufacturer average fleet is set for Carbon Dioxide (CO2), forcing them to pay a tax for each vehicle for each gram of CO2 exceeding this limit.
These test cycles and these regulations, which are evolving year by year, are encouraging manufacturers to improve existing technologies while developing new ones such as downsizing, Variable Valves Lift (VVL) and Variable Valves Timing (VVT), high pressure Exhaust Gas Recirculation (EGR) or water injection; moreover, RDE (Real Driving Emission) tests provide fuel consumption, CO2 and pollutant emission targets that are more representative of real-world conditions.
Engineers and researchers have been also focusing on the developing of Low Temperature Combustion (LTC) systems, which could allow a significant reduction of NOX thanks to the lower in-cylinder temperature, possibly increasing engine efficiency. Despite these kinds of combustion systems take benefits from both SI and CI engines, their design is challenging in terms of combustion control and of achieving favourable in-cylinder thermodynamic conditions. The only LTC system on the market has been developed by Mazda Motor Corporation, under the name of Sky Activ X.
This combustion system is called Spark Assisted Compression Ignition (SACI), or Spark Controlled Compression Ignition (SPCCI) and it combines the flame propagation of the SI engine and the auto-ignition of the CI engine. With these regards, the purpose of the current thesis is to determine the thermodynamic conditions to perform a SACI combustion and to analyse the engine behaviour through numerical simulations by means of a CFD-3D software, namely AVL Fire. In the introduction to this work the latest regulations in force in the European Union and different types of innovative engines will be presented. The discussion of the implemented methodology will follow. At first, boundary and initial conditions for CFD-3D simulations will be determined through a properly tuned 1-D software. A literature review will support the building of a simulation cases matrix to analyse engine response to different initial and operative conditions. Also, numerical simulations will be performed with various amounts of EGR and different injection timing. Finally, results will be presented and discussed.
The conclusive chapter gives some possible future developments.
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