Riassunto analitico
Le normative antinquinamento degli ultimi decenni hanno spinto le case automobilistiche a sviluppare tecnologie che limitino le emissioni nocive e aumentino l'efficienza dei veicoli. L'introduzione dei cicli di omologazione WLTP e RDE, insieme alla tassazione della CO2 e al pacchetto climatico "Fit for 55" che punta alla neutralità del carbonio, sono attualmente gli ultimi passi compiuti dai legislatori per ridurre l'impatto ambientale dei veicoli.
Al fine di estendere l'utilizzo dei motori a combustione interna, possono essere considerate altre tipologie di combustibili come l'idrogeno, che sfrutta l'assenza di carbonio per ridurre o, addirittura, eliminare le emissioni di CO2. Inoltre, il suo ampio range di infiammabilità e l'elevata velocità di combustione consentono di lavorare con miscele più magre, aumentando notevolmente il rendimento e, di conseguenza, riducendo anche le emissioni di CO2.
Questo lavoro di tesi, attraverso simulazioni numeriche tridimensionali fluidodinamiche effettuate su un motore virtuale, mira a studiare e ottimizzare un sistema di iniezione di idrogeno in precamera in un'applicazione TJI-ICE dual fuel, in condizioni di basso carico e bassa velocità del motore, in cui, solitamente, l'elevata instabilità di accensione della precamera potrebbe causare problemi di misfire. L’iniezione di idrogeno, per il 2% dell’energia totale, permette di migliorare la stabilità della combustione, sia in condizioni stechiometriche che più magre.
In primo luogo, è stata eseguita un’analisi sulla fasatura di iniezione di idrogeno, al fine di trovare quella ottimale. L'iniezione di idrogeno provoca, in generale, un arricchimento all'interno della precamera. Le iniezioni molto anticipate tendono a fornire una migliore miscelazione e una condizione in precamera molto vicina alla stechiometria, mentre un’iniezione troppo tardiva provoca una riduzione della temperatura della precamera e l'arricchimento della miscela, fuori dai limiti di infiammabilità.
Successivamente, è stata effettuata un’analisi variando il rapporto aria-combustibile all'interno del cilindro. Passando da condizioni generalmente stechiometriche a condizioni più magre, è possibile ridurre l'arricchimento all'interno della precamera, dato dall'iniezione di idrogeno, che aumenta la velocità di combustione nella precamera stessa. Tuttavia, è necessario considerare le condizioni nella camera principale, poiché deve essere sostenuta una combustione con una miscela più magra.
I risultati delle analisi precedenti sono stati confermati da quelli ottenuti con le simulazioni della combustione, nelle quali gli effetti della precamera attiva a idrogeno sono stati paragonati a quelli di una combustione con una candela standard e di una precamera passiva. L’iniezione di idrogeno è in grado di aumentare la stabilità dell'accensione all'interno della precamera, producendo getti turbolenti ad alta potenza che, a loro volta, permettono di completare la combustione nella camera principale, anche in condizioni globalmente più magre, migliorando l'efficienza del motore e, quindi, riducendo le emissioni di CO2.
|
Abstract
The increasingly stringent anti-pollution regulations in recent decades has forced car manufacturers to develop technologies that limit harmful emissions and increase the engine efficiency. The introduction of the WLTP and RDE homologation cycles, together with CO2 taxation and the "Fit for 55" climate package which aims at the carbon neutrality, are currently the latest steps taken by legislators to reduce the environmental impact of vehicles.
In order to extend the use of internal combustion engines as much as possible, other types of fuels are studied, such as hydrogen, which exploits the absence of carbon to reduce or eliminate CO2 emissions. In addition, its wide flammability range and high combustion rate allow to work with leaner mixtures, increasing the efficiency significantly and, consequently, also reducing CO2 emissions.
This thesis work, through three-dimensional numerical fluid dynamics simulations carried out on a virtual engine, aims to study and optimize a prechamber hydrogen injection system in a dual fuel TJI-ICE application, at low load and low engine speed conditions, in which, usually, the high prechamber ignition instability could cause misfiring issues. The introduction of 2% of the total energy by the hydrogen injection can improve the combustion stability, in both stoichiometric and lean conditions.
Firstly, the hydrogen start of injection sweep analysis is performed, in order to find the optimal hydrogen injection timing. In general, the hydrogen injection produces an enrichment inside the prechamber. Early injections can provide a better mixing and a prechamber condition closer to the stoichiometry, while too late injection causes prechamber temperature reduction and the mixture enrichment, out of the flammable limits.
Then, the air-fuel ratio sweep analysis is performed. Going from stochiometric to leaner conditions, it is possible to reduce the enrichment inside the prechamber, given by the hydrogen injection, that increases the combustion speed inside the prechamber itself. However, the conditions in the main chamber need to be considered, since the combustion of a leaner mixture must be sustained.
The results coming from the previous analysis are confirmed by the combustion simulations, in which the hydrogen active prechamber application is compared with the standard spark plug and the passive prechamber applications. The leaner mixtures are able to increase the ignition stability, inside the prechamber, producing high powerful turbulent jets that, in turn, allow to complete the combustion even in global leaner conditions, improving the engine efficiency and, thus, reducing the CO2 emissions.
|
