This study is focused on development of alternative combustion mode reliable internal combustion system. In order to limit pollutant emissions homogenous charge compression ignition (HCCI) has been exploited. This advance combustion mode is characterized by lower peak of temperature than classic compression ignition and spark engines which lead a small production of NOX and PM. Sustained population growth is driving also a sharp increase in global demand for transport over the coming decades. This growing demand obviously has an impact on the environment and requires ever greater reductions in pollutant emissions produced by vehicles. European standards regulating vehicle emissions (Euro I to VI) are thus becoming more stringent. Environmental considerations are therefore at the interest of car manufacturers concerns. Reducing emissions of pollutants, greenhouse gases and consumption is an integral part of design constraints. To answer this problem, two types of engines are mainly currently marketed: the compression ignition engine (called "diesel engine") and the spark ignition engine (called "gasoline engine"). Each one has its own advantages and disadvantages: the spark ignition engine is a relatively simple product which therefore has a relatively low purchase price. The use of three-way catalysts (CO, HC, NOx) makes it possible to reduce pollutant emissions by treatment at the outlet of the combustion chamber. The major drawbacks of these engines are a reduced efficiency at moderate load caused by pumping losses, as well as a low thermodynamic efficiency. This is the result from the use of relatively low compression rates to prevent the occurrence of the knocking phenomenon. The compression ignition engine has a higher manufacturing cost but a higher thermodynamic efficiency. However, emissions of nitrogen oxides (NOx) and particulate matter are important, and post-treatment of these emissions is currently quite expensive. Future anti-pollution standards will impose conflicting constraints in terms of emissions and consumption. They will therefore be expensive and difficult to respect with the conventional engines described above. A number of technological solutions can be exploited in order to improve the consumption and / or decrease the emissions of pollutants. Non-exhaustive examples include the combustion of alternative fuels derived from biomass, downsizing, use of a variable distribution or compression ratio, hybridization or the fuel cell. Innovation can also be in the way the combustion takes place. One of the most promising alternatives in this direction is auto-ignition combustion in homogeneous mode. This type of combustion known as HCCI (Homogeneous Charge Compression Ignition) consists of the compression ignition of a relatively homogeneous mixture. Sometimes we also talk about CAI (Controlled Auto Ignition), a mode for spark ignition engines. Based on the inflammation of a poor mixture, it allows a drastic reduction of NOx emissions. In addition, it combines the advantages of two types of conventional engines: while it reduces fuel consumption compared to a spark ignition engine, it also emits very few particles compared to a conventional diesel engine. The use of this mode of combustion would therefore lead to avoid post-treatment system for NOx and particles, which would bring a significant cost saving. Control of combustion is, in particular, a key issue. Indeed, even if the mixture is theoretically homogeneous, heterogeneities exist in the engine, particularly in terms of temperature.. At the moment the main drawback of HCCI lies in the fact that it is really hard to have a reliable control on the ignition timing. At the end of the compression of the mixture it’s quite hard to have ignition due to the low temperature. The idea is to introduce coal particles into the compressed mixture; under these conditions of pressure and temperature the particles undergo an auto-ignition for the entire mixture, providing a sufficient quantity of heat to burn the lean mixture. The purpose of the model presented here is to find the ignition delay of coal particles during their combustion. When the homogeneous mixture is compressed, the problem lies in the fact that the delay between the end of the compression and the actual ignition is too long and greater than a classic engine cycle. The idea is to inject the coal particles when the mixture is compressed in order to exploit the ignition delay of the particles which is lower than the one of the mixture, and to promote the combustion. We know that increasing the temperature the delay decreases, while it increases decreasing the pressure.

Questo studio si concentra sullo sviluppo di un sistema di combustione interna alternativo, in particolare l’HCCI. Questa modalità di combustione avanzata è caratterizzata da un picco di temperatura più basso rispetto ai classici motori diesel. La sostenuta crescita demografica sta guidando anche un forte aumento della domanda globale di energia, anche nel settore trasporti. Questa crescente domanda ovviamente ha un impatto sull'ambiente e richiede sempre maggiori riduzioni delle emissioni inquinanti prodotte dai veicoli. Le norme europee che regolano le emissioni dei veicoli (da Euro I a VI) stanno diventando sempre più rigide. Le considerazioni ambientali sono quindi nell'interesse delle preoccupazioni delle case automobilistiche. Per rispondere a questo problema, vengono attualmente commercializzati principalmente due tipi di motori: il motore ad accensione per compressione (chiamato "motore diesel") e il motore ad accensione comandata (chiamato "motore a benzina"). Ognuno ha i suoi vantaggi e svantaggi: il motore ad accensione comandata è un prodotto relativamente semplice che ha quindi un prezzo di acquisto relativamente basso. L'uso di catalizzatori a tre vie (CO, HC, NOx) consente di ridurre le emissioni di sostanze inquinanti mediante il trattamento all'uscita della camera di combustione. I principali inconvenienti di questi motori sono un'efficienza ridotta a carico moderato causato da perdite di pompaggio, nonché una bassa efficienza termodinamica. Il motore ad accensione per compressione ha un costo di produzione più elevato ma una maggiore efficienza termodinamica. Tuttavia, le emissioni di ossidi di azoto (NOx) e di particolato sono importanti e il post-trattamento di queste emissioni è attualmente piuttosto costoso. Le future norme antinquinamento imporranno vincoli difficili da rispettare in termini di emissioni e consumo. Saranno quindi costosi e difficili da rispettare con i motori convenzionali sopra descritti. È possibile sfruttare una serie di soluzioni tecnologiche per migliorare il consumo e / o ridurre le emissioni di inquinanti. Esempi sono la combustione di combustibili alternativi derivati dalla biomassa, il re-sizing, l'ibridazione o la cella a combustibile. L'innovazione può anche essere nel modo in cui avviene la combustione. Una delle alternative più promettenti in questa direzione è la combustione ad autoaccensione in modalità omogenea. Questo tipo di combustione noto come HCCI (Omogeneous Charge Compression Ignition) consiste nell'accensione a compressione di una miscela relativamente omogenea. Basato sull'infiammazione di una miscela povera, consente una drastica riduzione delle emissioni di NOx. Inoltre combina i vantaggi di due tipi di motori convenzionali: mentre riduce il consumo di carburante rispetto a un motore ad accensione comandata, emette anche poco particolato rispetto a un motore diesel convenzionale. L'uso di questa modalità di combustione porterebbe quindi ad evitare il sistema di post-trattamento per NOx e particelle, il che comporterebbe un notevole risparmio di costi. Il controllo della combustione è un problema chiave. Infatti, anche se la miscela è teoricamente omogenea, esistono eterogeneità nel motore, in particolare in termini di temperatura. Uno strumento prezioso per studiare le caratterisciche della combustione HCCI la Rapid Compression Machine. Essa simula la pase di compressione di un motore a compressione interna col vantaggio di avere accessibilita ottica e maggiore controllo e possibilita di misura dei fenomeni che stanno accadendo all’interno della camera di combustione. Al momento il principale inconveniente di HCCI risiede nel fatto che è davvero difficile avere un controllo affidabile sul tempo di accensione. Alla fine della compressione della miscela è piuttosto difficile avere l'accensione a causa della bassa temperatura. L'idea è di introdurre particelle di carbone nella miscela compressa; in queste condizioni di pressione e temperatura le particelle subiscono un'autoaccensione per l'intera miscela, fornendo una quantità sufficiente di calore per bruciare la miscela povera. Lo scopo del modello presentato qui è quello di trovare il ritardo di accensione delle particelle di carbone durante la loro combustione.

Study on advance combustion modes : exploitation of rapid compression machine to acquire experimental insights into fuel autoignition and a model of single particle coal combustion

GHILARDI, BRUNO
2016/2017

Abstract

This study is focused on development of alternative combustion mode reliable internal combustion system. In order to limit pollutant emissions homogenous charge compression ignition (HCCI) has been exploited. This advance combustion mode is characterized by lower peak of temperature than classic compression ignition and spark engines which lead a small production of NOX and PM. Sustained population growth is driving also a sharp increase in global demand for transport over the coming decades. This growing demand obviously has an impact on the environment and requires ever greater reductions in pollutant emissions produced by vehicles. European standards regulating vehicle emissions (Euro I to VI) are thus becoming more stringent. Environmental considerations are therefore at the interest of car manufacturers concerns. Reducing emissions of pollutants, greenhouse gases and consumption is an integral part of design constraints. To answer this problem, two types of engines are mainly currently marketed: the compression ignition engine (called "diesel engine") and the spark ignition engine (called "gasoline engine"). Each one has its own advantages and disadvantages: the spark ignition engine is a relatively simple product which therefore has a relatively low purchase price. The use of three-way catalysts (CO, HC, NOx) makes it possible to reduce pollutant emissions by treatment at the outlet of the combustion chamber. The major drawbacks of these engines are a reduced efficiency at moderate load caused by pumping losses, as well as a low thermodynamic efficiency. This is the result from the use of relatively low compression rates to prevent the occurrence of the knocking phenomenon. The compression ignition engine has a higher manufacturing cost but a higher thermodynamic efficiency. However, emissions of nitrogen oxides (NOx) and particulate matter are important, and post-treatment of these emissions is currently quite expensive. Future anti-pollution standards will impose conflicting constraints in terms of emissions and consumption. They will therefore be expensive and difficult to respect with the conventional engines described above. A number of technological solutions can be exploited in order to improve the consumption and / or decrease the emissions of pollutants. Non-exhaustive examples include the combustion of alternative fuels derived from biomass, downsizing, use of a variable distribution or compression ratio, hybridization or the fuel cell. Innovation can also be in the way the combustion takes place. One of the most promising alternatives in this direction is auto-ignition combustion in homogeneous mode. This type of combustion known as HCCI (Homogeneous Charge Compression Ignition) consists of the compression ignition of a relatively homogeneous mixture. Sometimes we also talk about CAI (Controlled Auto Ignition), a mode for spark ignition engines. Based on the inflammation of a poor mixture, it allows a drastic reduction of NOx emissions. In addition, it combines the advantages of two types of conventional engines: while it reduces fuel consumption compared to a spark ignition engine, it also emits very few particles compared to a conventional diesel engine. The use of this mode of combustion would therefore lead to avoid post-treatment system for NOx and particles, which would bring a significant cost saving. Control of combustion is, in particular, a key issue. Indeed, even if the mixture is theoretically homogeneous, heterogeneities exist in the engine, particularly in terms of temperature.. At the moment the main drawback of HCCI lies in the fact that it is really hard to have a reliable control on the ignition timing. At the end of the compression of the mixture it’s quite hard to have ignition due to the low temperature. The idea is to introduce coal particles into the compressed mixture; under these conditions of pressure and temperature the particles undergo an auto-ignition for the entire mixture, providing a sufficient quantity of heat to burn the lean mixture. The purpose of the model presented here is to find the ignition delay of coal particles during their combustion. When the homogeneous mixture is compressed, the problem lies in the fact that the delay between the end of the compression and the actual ignition is too long and greater than a classic engine cycle. The idea is to inject the coal particles when the mixture is compressed in order to exploit the ignition delay of the particles which is lower than the one of the mixture, and to promote the combustion. We know that increasing the temperature the delay decreases, while it increases decreasing the pressure.
GUIBERT, PHILIPPE
ING - Scuola di Ingegneria Industriale e dell'Informazione
19-apr-2018
2016/2017
Questo studio si concentra sullo sviluppo di un sistema di combustione interna alternativo, in particolare l’HCCI. Questa modalità di combustione avanzata è caratterizzata da un picco di temperatura più basso rispetto ai classici motori diesel. La sostenuta crescita demografica sta guidando anche un forte aumento della domanda globale di energia, anche nel settore trasporti. Questa crescente domanda ovviamente ha un impatto sull'ambiente e richiede sempre maggiori riduzioni delle emissioni inquinanti prodotte dai veicoli. Le norme europee che regolano le emissioni dei veicoli (da Euro I a VI) stanno diventando sempre più rigide. Le considerazioni ambientali sono quindi nell'interesse delle preoccupazioni delle case automobilistiche. Per rispondere a questo problema, vengono attualmente commercializzati principalmente due tipi di motori: il motore ad accensione per compressione (chiamato "motore diesel") e il motore ad accensione comandata (chiamato "motore a benzina"). Ognuno ha i suoi vantaggi e svantaggi: il motore ad accensione comandata è un prodotto relativamente semplice che ha quindi un prezzo di acquisto relativamente basso. L'uso di catalizzatori a tre vie (CO, HC, NOx) consente di ridurre le emissioni di sostanze inquinanti mediante il trattamento all'uscita della camera di combustione. I principali inconvenienti di questi motori sono un'efficienza ridotta a carico moderato causato da perdite di pompaggio, nonché una bassa efficienza termodinamica. Il motore ad accensione per compressione ha un costo di produzione più elevato ma una maggiore efficienza termodinamica. Tuttavia, le emissioni di ossidi di azoto (NOx) e di particolato sono importanti e il post-trattamento di queste emissioni è attualmente piuttosto costoso. Le future norme antinquinamento imporranno vincoli difficili da rispettare in termini di emissioni e consumo. Saranno quindi costosi e difficili da rispettare con i motori convenzionali sopra descritti. È possibile sfruttare una serie di soluzioni tecnologiche per migliorare il consumo e / o ridurre le emissioni di inquinanti. Esempi sono la combustione di combustibili alternativi derivati dalla biomassa, il re-sizing, l'ibridazione o la cella a combustibile. L'innovazione può anche essere nel modo in cui avviene la combustione. Una delle alternative più promettenti in questa direzione è la combustione ad autoaccensione in modalità omogenea. Questo tipo di combustione noto come HCCI (Omogeneous Charge Compression Ignition) consiste nell'accensione a compressione di una miscela relativamente omogenea. Basato sull'infiammazione di una miscela povera, consente una drastica riduzione delle emissioni di NOx. Inoltre combina i vantaggi di due tipi di motori convenzionali: mentre riduce il consumo di carburante rispetto a un motore ad accensione comandata, emette anche poco particolato rispetto a un motore diesel convenzionale. L'uso di questa modalità di combustione porterebbe quindi ad evitare il sistema di post-trattamento per NOx e particelle, il che comporterebbe un notevole risparmio di costi. Il controllo della combustione è un problema chiave. Infatti, anche se la miscela è teoricamente omogenea, esistono eterogeneità nel motore, in particolare in termini di temperatura. Uno strumento prezioso per studiare le caratterisciche della combustione HCCI la Rapid Compression Machine. Essa simula la pase di compressione di un motore a compressione interna col vantaggio di avere accessibilita ottica e maggiore controllo e possibilita di misura dei fenomeni che stanno accadendo all’interno della camera di combustione. Al momento il principale inconveniente di HCCI risiede nel fatto che è davvero difficile avere un controllo affidabile sul tempo di accensione. Alla fine della compressione della miscela è piuttosto difficile avere l'accensione a causa della bassa temperatura. L'idea è di introdurre particelle di carbone nella miscela compressa; in queste condizioni di pressione e temperatura le particelle subiscono un'autoaccensione per l'intera miscela, fornendo una quantità sufficiente di calore per bruciare la miscela povera. Lo scopo del modello presentato qui è quello di trovare il ritardo di accensione delle particelle di carbone durante la loro combustione.
Tesi di laurea Magistrale
File allegati
File Dimensione Formato  
tesi bruno finale.pdf

non accessibile

Descrizione: testo tesi
Dimensione 2.07 MB
Formato Adobe PDF
2.07 MB Adobe PDF   Visualizza/Apri

I documenti in POLITesi sono protetti da copyright e tutti i diritti sono riservati, salvo diversa indicazione.

Utilizza questo identificativo per citare o creare un link a questo documento: https://hdl.handle.net/10589/139895