CFD modeling of the combustion process in an optical two-stroke engine for marine application

In this thesis, by means of a CFD analysis, the combustion process in a two-stoke engine for marine applications has been studied. The engine works for compression ignition, and can be feed with Diesel, or, under some modifications, with two fuels at the same time, by a pilot injection of Diesel, and the main injection of methane. While in the Lib-ICE, completely developed by the Internal Combustion Engine Group of Politecnico di Milano, there were already solvers for simulating Diesel combustion, in order to be able to simulate dual-fuel operation, a new solver has been implemented in Lib-ICE. For Diesel combustion, RIF model has been first tested, and then the results have been compared to those of TWM, the other model used. The latter has been also used for dual-fuel simulations, after being properly modified. Results obtained demostrate that both models can simulate correctly the combustion process in a Diesel engine. TWM model, however, proved to be a bit faster, with the same accuracy, thanks to the tabulated kinetics. For what conserns dual-fuel operation, also in this case TWM model has proved to be adeguate to describe the combustion process. However, in each case considered an underestimation of ignition delay was found, while, for dual-fuel cases, the methane start of ignition was simulated with a little delay.

In questo lavoro di tesi, tramite un’analisi CFD, è stato studiato il processo di combustione in un motore a due tempi per applicazioni marine. Il motore funziona per accensione spontanea della carica, e può essere alimentato o con Diesel o, adottando alcune modifiche, con due combustibili contemporaneamente, tramite un’iniezione pilota Diesel, e una principale di metano. Nella Lib-ICE, interamente sviluppata dal gruppo motori del Politecnico di Milano, erano già presenti risolutori per simulare la combustione di motori Diesel, ma per poter simulare quella dual- fuel si è dovuto sviluppare un nuovo solver, implementato nella Lib-ICE. Per la combustion Diesel si è dapprima testato il modello di combustion RIF, per poi confrontare i risultati con quelli ottenuti con un’altro modello, il TWM. Quest’ultimo è stato usato anche per le simulazioni dual-fuel, dopo essere stato adeguatemente modificato. I risultati ottenuti dimostrano come entrambi i modelli siano adeguati per simulare il processo di combustione in un motore Diesel. Il modello TWM si è però dimostrato, a parità di accuratezza, un po’ più veloce, grazie alla tabulazione della cinetica. Anche per quanto riguarda il funzionamento dual-fuel, il TWM si è dimostrato adeguato per descriverne il processo di combustione. Si è riscontrata però in tutti i casi considerati una sottostima del ritardo all’accensione, e nei casi dual-fuel, l’inizio della combustione del metano è stata simulata con leggero ritardo.