Design of a low-emission, two-stroke engine for non-road applications using computational fluid dynamics

In this work an analysis to evaluate unburnt hydrocarbons pollutant emissions due to scavenging process in a two-stroke engine has been performed. This study has been carried out using OpenFoam and foam-extend codes. The analized engine belongs to the small SI engines for non-road applications category. Influence on dynamic behaviour of different scavenging ducts shape and lengths, applied to an actually produced engine equipped with a catalytic converter, are evaluated. Aim of these studies is to keep emissions below the limits imposed by normative NRMM-Stage V-SH:3 without catalytic converter. Validation process between results obtained both on a CFD 3D cold-flow model and GASDYN 1D inclusive of the combustion model shows reliable results. Data obtained for the same tested geometrical modifications appear to be coherent from a trend based analysis point of view, while different results on absolute values were computed. Among different proposed solutions it seems that an increase in scavenging ducts lengths for engines with a satisfactory Jante test could lead to a reduction in pollutant emissions, keeping constant all others geometrical features like engine timing or scavenging ducts shape.

Nel presente lavoro di tesi è stata implementata, tramite l'utilizzo dei codici OpenFOAM e foam-extend, una metologia di analisi volta alla valutazione delle emissioni di idrocarburi incombusti dovuti al processo di lavaggio in un motore a 2 tempi. Il motore oggetto di studio appartiene alla categoria dei motori ad accensione comandata di piccola cilindrata destinati ad applicazioni non legate alla movimentazione di veicoli. L'analisi consiste nella valutazione del comportamento dinamico di differenti geometrie e lunghezze dei travasi, applicate ad un motore correntemente in commercio, e provvisto di catalizzatore. Fine ultimo delle modifiche proposte e analizzate è rientrare nella vigente normativa anti inquinamento NRMM-Stage V-SH:3, pur con la rimozione del suddetto dispositivo. Il processo di validazione dei dati tra il modello CFD 3D cold-flow e i risultati ottenuti tramite il software 1D GASDYN comprensivo di combustione si è dimostrato affidabile, non tanto in termini assoluti quanto nella tendenza ad avere un andamento coerente in base alle modifiche geometriche analizzate. Tra le diverse soluzioni proposte sembrerebbe che un aumento della lunghezza dei travasi, in configurazioni che presentano già delle buone caratteristiche dal punto di vista del test di Jante, potrebbe ridurre effettivamente le emissioni a parità di altri parametri quali geometria dei condotti e fasatura delle luci.