CFD investigations on the scavenging and fuel injection of an opposed-piston FPEG

During the last years, the free-piston engine generator (FPEG) has gained strong research interest as a possible sustainable alternative to electrical generators powered by conventional internal combustion engines (ICE). The free-piston engine concept offers several advantages compared to conventional ICEs including a simpler design with fewer components, lower frictional losses, and a higher operational flexibility. However, the absence of the crank and connecting rod mechanism generates several difficulties for the implementation of an engine control strategy able to guarantee a stable and robust operation. Computational fluid dynamics (CFD) can be a useful tool to deeply investigate the operating characteristics of FPEGs, and help in defining new design solutions. In the first part of this work, the main characteristics of the different FPEG layouts are introduced. Firstly, the engine structure and working principle are discussed, together with the inherent advantages and disadvantages of this engine concept, and its possible target applications. Then, the particular features of the piston dynamics, the main challenges related to the engine control, and some recently proposed engine control strategies are reported. In the second part of this work, several cold-flow CFD simulations have been carried out on a single-cylinder opposed-piston FPEG. The simulations have been run on the CFD software OpenFOAM, using the LibICE library developed by the ICE Group of Politecnico di Milano. At the beginning, the uniflow scavenging arrangement is analysed by considering various configurations of the intake and exhaust ports, and two different piston motion laws. Great attention is placed also on the achievement of a correct intensity of the in-cylinder swirl motion. Next, the direct injection of compressed natural gas (CNG) is simulated by means of the ‘virtual injector’ approach supplied in the LibICE library. The obtained results are then compared with a new injection simulation with real, physical injectors to assess the fidelity of the proposed approach.

Negli ultimi anni il generatore lineare a pistone libero (FPEG) ha ottenuto un forte interesse di ricerca come possibile alternativa sostenibile ai generatori elettrici alimentati da motori a combustione interna convenzionali (MCI). Il concetto di motore a pistone libero offre diversi vantaggi rispetto ai MCI convenzionali, tra cui un design più semplice con meno componenti, minori perdite per attrito e una maggiore flessibilità operativa. Tuttavia, l'assenza del meccanismo biella-manovella genera diverse difficoltà nell'attuazione di una strategia di controllo del motore in grado di garantire un funzionamento stabile e robusto. La fluidodinamica computazionale può essere uno strumento utile per indagare a fondo le caratteristiche operative dei generatori lineari a pistone libero e aiutare a definire nuove soluzioni di progettazione. Nella prima parte di questo lavoro, vengono introdotte le caratteristiche principali dei diversi layout di generatore lineare a pistone libero. In primo luogo, vengono discussi la struttura del motore e il principio di funzionamento, insieme con i vantaggi e gli svantaggi intrinseci di questo concetto, e le sue possibili applicazioni. In seguito, vengono riportate le caratteristiche peculiari della dinamica del pistone, le principali sfide legate al controllo del motore, e alcune strategie di controllo recentemente proposte. Nella seconda parte di questo lavoro, sono state effettuate diverse simulazioni CFD su un generatore lineare a pistone libero monocilindrico e con pistoni contrapposti. Le simulazioni sono state eseguite sul software CFD OpenFOAM, utilizzando la libreria LibICE sviluppata dall’ICE Group del Politecnico di Milano. All'inizio, la disposizione con lavaggio unidirezionale viene analizzata considerando varie configurazioni delle porte di aspirazione e scarico, e due diverse leggi di moto del pistone. Grande attenzione è posta anche sul raggiungimento di una corretta intensità del moto di swirl nel cilindro. Successivamente, l'iniezione diretta di gas naturale compresso (GNC) viene simulata mediante l'approccio ‘dell'iniettore virtuale’ presente nella libreria LibICE. I risultati ottenuti vengono poi confrontati con una nuova simulazione d’iniezione con iniettori reali, per valutare la fedeltà dell'approccio proposto.