Fuelling a compression ignition heavy duty engine with dimethyl ether

Nowadays, the increasingly stringent pollutant emissions regulations drive the need of a new generation of cleaner fuels for Internal Combustion Engines (ICEs). The electrification of transports is improving the sector of Light Duty vehicles, but most of the Heavy Duty applications are remaining powered by Compression Ignition Engines, due to the inadequate energy density provided by the current state of electric batteries technology. Dimethyl Ether (DME) is an interesting alternative to Diesel for many reasons. Best of all is that both thermal efficiency and pollutant emissions can be improved at the same time, as demonstrated in this study. Moreover the chance of producing DME from renewable resources is extremely appealing in the context of Carbon Neutralization of transports. Both biomass digestion and Hydrogen storage of energy from solar and wind power are compatible with this new fuel. The work presented in this Thesis consists in the calibration of an already existing Heavy Duty Compression Ignition Engine. The investigation can be split into two main parts: firstly the study of the potentialities offered by some innovative injection strategies with Diesel and then the tuning of the main engine parameters under DME fuelling to achieve an optimal solution. The CFD methodology, implemented in the \verb Lib-ICE using \verb OpenFOAM , takes advantage for each of the two fuels of a detailed Chemical Kinetic Mechanism, coupled with the Representative Interactive Flamelets combustion model. This solution offers a great compromise between accuracy and computational cost. More than one hundred simulations have been run to optimize the operating point inside the engine map corresponding to the cruise partial load condition. The three main variables considered in the present calibration process are the Injection Profiles, the Start of Injection (SOI) and the rate of Exhaust Gas Recirculation (EGR).

Al giorno d'oggi, le sempre più stringenti regolamentazioni sulle emissioni di inquinanti dettano il bisogno di una nuova generazione di carburanti più puliti per i Motori a Combustione Interna. L'elettrificazione dei trasporti sta migliorando il settore dei Veicoli Leggeri adibiti al trasporto di passeggeri e beni. Tuttavia la maggior parte dei Veicoli Pesanti per trasporto merci o movimento terra rimangono alimentati da Motori a Scoppio, a causa dell'inadeguata densità energetica fornita attualmente dalle batterie. L'Etere Dimetilico (DME) è un' interessante alternativa al Diesel per diverse ragioni. Prima fra tutte è la possibilità di migliorare contemporaneamente efficienza termica ed emissioni inquinanti, come dimostrato in questo Studio. Inoltre l'eventuale produzione di DME a partire da fonti rinnovabili è estremamente interessante nel contesto della Neutralizzazione delle emissioni da Anidride Carbonica. Questo nuovo carburante può essere prodotto sia tramite digestione anaerobica di biomasse, che a partire da Idrogeno accumulato sfruttando energia proveniente da solare ed eolico. Il lavoro presentato in questa Tesi consiste nella calibrazione di un Motore ad Accensione Spontanea per applicazioni Heavy-Duty già esistente. L'indagine può essere suddivisa in due parti: la prima studia le potenzialità offerte da una serie di strategie di iniezione innovative con alimentazione Diesel, mentre la seconda riguarda la messa a punto dei principali controlli motore per ottenere una soluzione ottimale con alimentazione DME. La Fluido Dinamica Computazionale, implementata nella Lib-ICE utilizzando OpenFOAM , si serve per entrambi i carburanti di un Meccanismo dettagliato per la Cinetica Chimica, accoppiato con il modello di combustione RIF. Questa soluzione offre un ottimo compromesso tra accuratezza ed onere computazionale. Più di un centinaio di simulazioni sono state eseguite per ottimizzare il punto operativo all'interno della mappa motore corrispondente a carico parziale e velocità di crociera. Le tre variabili principali della presente calibrazione sono i Profili di Iniezione, l'angolo di Inizio Iniezione e il rapporto di Ricircolo dei Gas di Scarico.