A CFD analysis to retrofit an heavy-duty SI engine from natural gas to methanol

To decrease the global warming caused by anthropic activities and maintain the increases of average temperature below 1.5 C compared to pre-industrial levels, the reduction of carbon emission of the transport sector is needed. Methanol is a fuel with an enormous potential since its characteristic are very suitable for ICE. Furthermore, it could help in to achieve the decarbonization goals. It can be produced using $H_2$ from electrolysis and captured $CO_2$ (e-fuel) or from biomass (bio-fuel). However, the compatibility of this fuel with the ICE used nowadays without making many modification must be studied. To analyze the behaviour of this molecule in an ICE, a new methodology for the tabulation of LFS using OpenSMOKE is successfully developed and the obtained results are comparable with the experimental one. This new tables are tested on a methane HD ICE to validate and calibrate the model using experimental data and to characterize the behaviour of the engine on the working points studied. Furthermore, a confrontation with the results of different LFS methodology is made to further validate the OpenSMOKE results. Finally, a methanol retrofit of the engine is made. This new fuel has an higher flame speed compared to methane and this causes a shorter combustion phase. Moreover, with stoichiometric mixture slightly higher pressure and temperature peaks compared to the original engine are simulated. The characteristic of $CH_{3}OH$ made this fuel particularly suitable to lean operating condition. In this configuration ($lambda$=1.2) the relative efficiency increase of this engine compared to the methane one is around 6% in all the operating points studied. However, further analysis on the methanol engine conversion must be done to consider the fluid exchange and methanol evaporation effects, the after treatment system and the exhaust emissions.

Per diminuire il riscaldamento globale causato da attività antropiche e contenere l'aumento della temperatura media mondiale entro gli 1,5 °C rispetto ai livelli preindustriali, è necessaria la riduzione di emissioni di carbonio del settore dei trasporti. Il metanolo è un combustibile con un potenziale enorme, in quanto le sue caratteristiche sono particolarmente adatte ai motori a combustione interna. Inoltre, potrebbe aiutare nel raggiungimento degli obiettivi di decarbonizzazione. Può essere prodotto da $H_2$ da elettrolisi e $CO_2$ catturata (e-fuel) oppure dalla biomassa (bio-fuel). Tuttavia, è necessario studiare la compatibilità di questo combustibile con gli attuali motori a combustione interna senza effettuare molte modifiche. Per analizzare il comportamento di questa molecola in un motore è stata sviluppata con successo una nuova metodologia per la tabulazione delle velocità di fiamma laminare utilizzando OpenSMOKE ed i risultati ottenuti sono comparabili con quelli sperimentali. Queste nuove tabelle sono state testate su un motore heavy duty a methano per validare e calibrare il modello utilizzato utilizzando dei dati sperimentali e per caratterizzare il comportamento del motore nei punti di funzionamento studiati. Inoltre, è stato effettuato un confronto con i risultati ottenuti utilizzando diversi metodi di calcolo per le velocità di fiamma laminari per validare ulteriormente i risultati ottenuti con OpenSMOKE. Infine, è stato fatto un retrofit di un motore a metanolo. Questo nuovo combustibile ha una maggiore velocità di fiamma rispetto al metano e questo causa fasi di combustione più rapide. Inoltre, in condizioni stechiometriche si sono ottenuti picchi di pressione e temperatura leggermente più alti rispetto a quelli del motore originale. In aggiunta, le caratteristiche del $CH_{3}OH$ lo rendono particolarmente adatto a funzionare con miscele magre. Con questa confirazione ($lambda$=1.2) l'incremento di efficienza relativo di questo motore rispetto a quello a metano è circa del 6% in tutti i punti operativi. Tuttavia, ulteriori analisi sul motore a metanolo devone essere fatte per considerare gli effetti del ricambio di fluido e di evaporazione del metanolo, il sistema di trattamento dei gas di scarico e le emissioni inquinanti.