A comprehensive model for the simulation of free piston linear generators

The reversing of global warming is one of the most pressing problems of our era. Global warming is particularly affected by the emissions of greenhouse gases. Carbon dioxide represents 76% of the emitted greenhouse gases, hence its reduction is a priority. The transport sector has been reported to be the second main producer of carbon dioxide. Modern transport units are internal combustion engines which transform chemical energy into mechanical energy through a combustion of a fuel, which is typically a carbon based fuel and thus produces carbon dioxide. Therefore, the reduction of fuel consumption, hence the improvement of the overall efficiency, the application of alternative fuels or vehicle electrification are the actual targets for engine researchers and manufacturers. Among the feasible solutions, the research into free piston engine may innovate and improve internal combustion engines. Free piston engines are reciprocating engines in which the piston is not linked to any form of mechanical linkage such as a crankshaft, instead they are coupled with a linear generator which extracts the mechanical power produced by the engine and converts it into electric power. The absence of the crankshaft highly reduces the friction forces, while the presence of a battery pack allows the free piston engine to operate at its maximum operative point, because, in case of exceeding power produced, it can be stored in the battery pack for future use. This thesis aims at realizing a model of the free piston engine and to give a general overview of the main features and performance of this innovative technology. The model has been implemented in OpenFOAM®, an open-source CFD software, and Lib-ICE, a code based on OpenFOAM environment, focused on internal combustion engine simulations developed by the ICE Group of Politecnico di Milano. The model is validated using the prototype realized by Toyota. The impact of various parameters on the engine performance is investigated in order to create an optimum setup which maximizes the operating frequency and the electric power output. Furthermore, the effect caused by cyclic variability is analyzed. Finally, a flow analysis is performed to extract useful data about the scavenging process.

L'inversione del fenomeno del riscaldamento globale è uno dei problemi più stringenti di questa epoca. Il riscaldamento globale è particolarmente influenzato dall'emissione dei gas serra, di cui l'anidride carbonica rappresenta il 76% della totalità. Il settore dei trasporti è il secondo maggior produttore di anidride carbonica poichè i motori moderni sono a combustione interna, i quali convertono l'energia chimica in energia meccanica attraverso la combustione di un carburante. Tipicamente questi carburanti sono di origine fossile, che bruciando, rilasciano anidride carbonica. Di conseguenza, gli obbiettivi attuali dei ricercatori e dei construttori motoristici sono la riduzione del consumo di carburante, e quindi il miglioramento dell'efficienza totale, l'uso di combustibili alternativi o l'elettrificazione delle autovetture. Fra tutte le possibili soluzioni, lo sviluppo dei motori a pistone libero potrebbe migliorare l’efficienza e le prestazioni dei motori a combustione interna. I motori a pistone libero sono motori alternativi in cui il pistone non è collegato attraverso nessun collegamento meccanico come ad esempio l’albero motore, invece sono accoppiati con un generatore lineare che estrae la potenza meccanica prodotta dal motore e la trasforma in potenza elettrica. L’assenza dell’albero motore riduce fortemente le forze di attrito, mentre la presenza di batterie permette al motore a pistone libero di operare nelle condizioni di massime prestazioni, poichè in caso di un’eccessiva produzione di potenza elettrica, quest’ultima può essere immagazzinata dalle batterie per un futuro utilizzo. Questa tesi si pone come obbiettivo quello di realizzare un modello del motore a pistone libero e quello di presentare un quadro generale delle caratteristiche principali e delle prestazioni di questa tecnologia innovativa. Il modello è stato implementato usando il programma CFD open-source OpenFOAM® e utilizzando la libreria Lib-ICE. Quest’ultima è un insieme di classi e risolutori, realizzati per interfacciarsi con OpenFOAM, sviluppata dal gruppo ICE del Politecnico di Milano che si focalizza sulla realizzazione di simulazioni atte a descrivere i motori a combustione interna. Il modello è stato validato usando il prototipo realizzato da Toyota. Con lo scopo di determinare una nuova e migliore configurazione che massimizzi la frequenza operativa e la potenza elettrica prodotta, è stato investigato l'effetto di alcuni parametri sulle prestazioni del motore. Inoltre, è stata svolta un’ulteriore analisi per determinare gli effetti delle variazioni cicliche. Infine, sono state estratte informazioni utili riguardo il processo di ricambio d'aria attraverso una simulazione di flussaggio del motore.