CFD study on spark assisted compression ignition combustion for a natural gas powered heavy duty engine

Nowadays to have clean engines able to reduce both carbon dioxide and pollutants emissions is of fundamental importance for safeguarding and protecting the environment. For this reason, natural gas is a very interesting kind of fuel, since it does not form any particle matter as it is already gaseous in atmospheric conditions, and the low carbon-hydrogen ratio (C/H) leads to a reduced CO2 production with respect to the combustion performed with the same amount of gasoline or diesel. Due to the high octane number of this kind of fuel, the thermodynamic cycle chosen as a reference is the "Otto cycle", which traditionally considers the installation of a spark-plug needed to release a minimum energy quantity to control the combustion, creating a real flame front. In any case, the natural gas flame front velocity is not high enough to consider the combustion as instantaneous (which is the one theoretically assumed by the Otto cycle) and, if heavy duty engines which can have a displacement per cylinder over than 2 liters are considered, to speed up the combustion process results fundamental for the development of internal combustion engines. To do so, different and innovative combustion modes have been investigated, as the most famous HCCI (where compression ratio adopted is so high to have a complete compression ignition of the whole charge inside the control volume) or the more modern SACI one (where a part of the mixture burns due to flame propagation and the other one gets ignited by compression). The second one results more feasible since, thanks to the presence of the spark-plug, it is possible to have a better control on the combustion and as a consequence cycle-variability is reduced. In any case, even this last one is difficult to realize, as it is possible that compression ignition combustion generates such intense pressure waves to decrease thermal efficiency of the engine and, in the worst of the cases, to damage the mechanical structure of the machine, hence resulting into knock. In this thesis work, the difference between the concept of knock and the one of spontaneous ignition has been analysed and, using collected considerations, a SACI (spark assisted compression ignition) engine has been developed in such a way it can exploit autoignition phenomenon to speed up the whole combustion process and to improve engine performances. During this work, two different design criteria which permits a good exploitation of partial spontaneous ignition have been derived: the first one considers the shape of the piston, while the second one analyses the possible air excess present in the combustion chamber. Through fluid dynamics numerical simulations, performances and emissions of the engine obtained have been compared with the ones of a traditional spark ignition heavy duty machine, highlighting the appreciable advantages of this innovative combustion mode especially in low and half load conditions.

Al giorno d'oggi avere motori puliti e in grado di emettere poca anidride carbonica è di fondamentale importanza per la salvaguardia e la tutela dell'ambiente. In quest'ottica, il gas naturale è una tipologia di carburante molto interessante in quanto, essendo in condizioni atmosferiche allo stato gassoso, non forma alcun tipo di polvere sottile e, in aggiunta, a causa del basso rapporto carbonio-idrogeno (C/H) permette di avere una minor produzione di CO2 rispetto alla combustione di una pari quantità di benzina o gasolio. A causa dell'elevato numero di ottani di questo tipo di carburante, il ciclo termodinamico scelto come riferimento è il ciclo "Otto", che tradizionalmente comporta l'installazione di una candela necessaria per rilasciare una quantità di energia minima in grado di controllare la combustione vera e propria, creando un fronte di fiamma. Tuttavia, la fiamma del gas naturale non è abbastanza veloce da poter considerare la combustione come istantanea (assunta teoricamente dal ciclo Otto) e per cui, se si considerano motori a carico pesante in cui un singolo cilindro può avere un volume massimo maggiore di 2 litri, velocizzare il processo di combustione del gas risulta fondamentale per lo sviluppo dei motori a combustione interna. Per fare ciò, modalità di combustione alternativa sono state considerate, come la più famosa HCCI (in cui il rapporto di compressione è talmente alto da far accendere spontaneamente tutta la carica all'interno del volume di controllo) o la più moderna combustione SACI (in cui una parte della miscela brucia per propagazione di fiamma e una minore reagisce per compressione). La seconda risulta più fattibile dato che è grazie alla presenza della candela è possibile controllare maggiormente la combustione e avere minore variabilità tra due diversi cicli di funzionamento. Tuttavia anche quest'ultima ipotesi non è di semplice realizzazione, in quanto è possibile che la combustione per compressione generi onde di pressione talmente importanti da diminuire l'efficienza termica del motore e, nel peggiore dei casi, danneggiare la macchina stessa, risultando quindi detonazione. In questo lavoro di tesi viene quindi analizzata la differenza tra il concetto di detonazione e quello di accensione spontanea e, utilizzando le considerazioni raccolte, viene successivamente sviluppato un motore SACI (ad accensione assistita) in grado di sfruttare l'autoaccensione per velocizzare il processo di combustione e quindi migliorare le prestazioni del motore stesso. Nel corso di questo lavoro quindi sono stati ottenuti due diversi criteri di progettazione che permettono di sfruttare l'accensione spontanea al fine di ridurre il consumo di carburante: un primo prende in esame la forma del pistone, un secondo analizza l'eventuale eccesso d'aria presente in camera di combustione. Attraverso simulazioni numeriche fluido-dinamiche, le prestazioni e le emissioni del motore ottenuto sono state confrontate con quelle di uno tradizionale ad accensione comandata, riscontrando apprezzabili vantaggi garantiti da questa nuova modalità di combustione soprattutto nelle condizioni a basso e medio carico.