Thermodynamic modelling of 6-stroke engines

This thesis consists of two parts. The first part, deals with the presentation of various design concepts of Six-Stroke engines. Their potentialities and limits are discussed. We conclude the first part of the thesis with an Ideal cycle analysis of the aforementioned Six-Stroke engine concepts and comparison with a conventional Four-Stroke SI engine Ideal Cycle. In the second part, we develop a simplified thermodynamic model of a conventional Four-Stroke SI engine for its simulation and then modify said model to simulate the theoretical working cycle of a Six-Stroke engine. The first part focuses on providing an overview and the motivation for studying the different Six-Stroke engine designs. As the need for better thermal efficiency of the engines increase, we need to look at all the available methods and the ways to implement them. Six-Stroke engines can help achieve higher thermal efficiency by using: • Water injection to recover heat from the exhaust gases and having a second power stroke. • Opposed piston configuration, with one piston working on two-stroke cycle and the other on four-stroke cycle, to simulate the Atkinson cycle i.e. having a longer expansion stroke compared to the compression stroke. • Different fuels such as Methanol, which can help reduce soot emissions and can be burnt in the second combustion process since it requires less oxygen to burn. Splitting the combustion process and allowing us to extract more work per cycle. The second part focuses on developing the MATLAB code for simulation of the conventional SI engine. A detailed thermodynamic model for each process and sub process that occurs in SI engine operation have been formulated. This model was then modified to simulate the Six-stroke engine cycle.

Questa tesi si compone di due parti. La prima parte, si occupa della presentazione di vari concetti di design dei motori a sei tempi. Vengono discusse le loro potenzialità e limiti. Concludiamo la prima parte della tesi con un'analisi del ciclo Ideale dei suddetti concetti di motore a sei tempi e confronto con un ciclo ideale di motore a quattro tempi convenzionale SI. Nella seconda parte, sviluppiamo un modello termodinamico semplificato di un motore SI a quattro tempi convenzionale per la sua simulazione e quindi modifichiamo detto modello per simulare il ciclo di lavoro teorico di un motore a sei tempi. La prima parte si concentra sul fornire una panoramica e la motivazione per studiare i diversi progetti di motori a sei tempi. Con l'aumento della necessità di una migliore efficienza termica dei motori, è necessario esaminare tutti i metodi disponibili e le modalità per implementarli. I motori a sei tempi possono aiutare a raggiungere una maggiore efficienza termica utilizzando: • Iniezione d'acqua per recuperare calore dai gas di scarico e avere una seconda corsa di potenza. • Configurazione a pistoni contrapposti, con un pistone che lavora su ciclo a due tempi e l'altro su ciclo a quattro tempi, per simulare il ciclo Atkinson, cioè avere una corsa di espansione più lunga rispetto alla corsa di compressione. • Diversi combustibili come il metanolo, che possono aiutare a ridurre le emissioni di fuliggine e possono essere bruciati nel secondo processo di combustione poiché richiede meno ossigeno per bruciare. Dividere il processo di combustione e permetterci di estrarre più lavoro per ciclo. La seconda parte si concentra sullo sviluppo del codice MATLAB per la simulazione del motore SI convenzionale. È stato formulato un modello termodinamico dettagliato per ogni processo e sottoprocesso che si verifica nel funzionamento del motore SI. Questo modello è stato poi modificato per simulare il ciclo del motore a sei tempi.