Analisi numerica e sperimentale di processi di combustione non convenzionali nei motori a combustione interna.

Nowadays pollutant emission represent the main topic in internal combustion engines development. Global warming is increased due to the high emissions of greenhouse gases, in particular Co2 emissions. Internal combustion engines must increase global efficiency and, at the same time, decrease pollutant emissions in order to be compliant to future legislation constraints. The high efficiency, reliability and flexibility of modern passenger car Diesel engines makes these power units quite attractive for steady many quasi-steady application ( e.g. aeromotive, truck ,heavy duty, generators) totally or partially running on fuels blends or different combustion process. The engine cost, which is obviously higher than that of current industrial engines, may not be a big obstacle, provided that the re-engineering work in order to implement dual fuel operation is limited and that performance and efficiency are enhanced. The goal of this work is to explore the potential of a current state of the art turbocharged Diesel engine running on both Diesel Fuel and dual fuel combustion with the use of a premixed charge of Methane or Gasoline. This particular combustion process called RCCI ( Reactive Controlled Compression Ignition) can improve engine global efficiency and reduce pollutant emissions. In particular CO2 emissions decreases because of the different nature of the fuel. In this contest an analysis is made also in a two stroke engine for aircraft application. This kind of engine can be quite attractive for the less constraints in combustion chamber design, instead of four stroke; furthermore low combustion pressures lead to fit better RCCI concepts. The present thesis is focused in experimental and numerical validation supporting CFD combustion calculation with experimental analysis in a modern Diesel Engine by using a test bed equipped with an indicating system for experimental campaign and a custom version of CFD 3D software Kiva 3V. Two stroke engine has been study by several cfd calculation campaign in order to investigate two stroke potential in RCCI application. These different combustion process can have several advantages in terms of global efficiency and pollutant emission, but these results can be achieved only with an accurate combustion process calibration and several CFD combustion calculation.

Oggigiorno le emissioni inquinanti rappresentano il vincolo più importante nello sviluppo dei motori a combustione interna. Il riscaldamento globale in continuo aumento è causato principalmente dalle emissioni di gas serra, principalmente dalla C02. I motori a combustione interna devono necessariamente aumentare l’efficienza e, allo stesso tempo, migliorare le emissioni inquinanti per poter ottemperare ai limiti imposti dalle leggi. L’alta efficienza, l’affidabilità, e la flessibilità richiesta nei moderni veicoli per trasporto persone specialmente nei motori diesel rende tali propulsori adottabili su utilizzi quasi stazionari ( e.g. aeromotive, autotrasporto, generatori di energia elettrica) mediante l’utilizzo di combustibili alternativi miscelati con Diesel. Il costo di tali propulsori che è ovviamente più alto degli odierni motori industriali utilizzati per la produzione di energia non determina un grande ostacolo, in quanto la re-ingegnerizzazione di tali propulsori per implementare il funzionamento dual fuel sarebbe limitata, ma permetterebbe di aumentare efficienza e prestazioni. L’obiettivo di questo lavoro di tesi è quello di esplorare il potenziale di un moderno motore diesel alimentato con differenti miscele di combustibili alternativi (Metano e Benzina) pre-miscelati nella aspirazione . Questo processo di combustione viene chiamato RCCI ( Reactive Controlled Compression Ignition) e permette incrementare il rendimento globale e ridurre le emissioni inquinanti.In particolare le emissioni di CO2 possono diminuire con l’utilizzo di questa tecnologia. In questo contesto è stato preso in considerazione un motore due tempi per aerotrazione; questa tipologia di propulsore non ha limitazioni nella realizzazione della geometria della camera di combustione, a differenza dei quattro tempi, inoltre le minori pressioni in fase di combustione rendono questi motori maggiormente adattabili alla combustione RCCI. Il presente lavoro è concentrato sulla validazione numerico sperimentale supportando i calcoli CFD di combustione mediante l’utilizzo di una sala prova utilizzando un moderno motore diesel installato sul banco prova dell’Univestità di Modena ed equipaggiato con un sistema si analisi della pressione in camera di combustione; i calcoli CFD sono stati effettuati utilizzando una versione modificata di Kiva 3v. Il motore due tempi è stato studiato con una campagna di calcoli CFD per studiare il potenziale della combustione RCCI applicata a questi propulsori. Questi differenti processi di combustione possono avere significativi vantaggi in termini di efficienza globale del motore e di emissioni inquinanti, questi risultati pero possono essere raggiunti solamente con un attento processo di calibrazione motore e di una importante campagna sperimentale di calcoli.