Experimental and Numerical Characterization of a Heavy-Fuelled Wankel Rotary Engine

This thesis work deals with a relatively old internal combustion engine technology, for long time left aside because of the traditional issues of low-efficiency, wear of sliding parts, high emissions and others. Thereby, considering the current scenario of uncertainty for the survival of IC engines, a question may naturally arise: “Why still research about IC engines? Moreover, rotary instead of reciprocating?”. The answer to the former could be that we are probably not yet ready to get rid of it. The latter question, instead, is not actually well-posed. The rotary engine, of course, cannot be always regarded as a better technology than the reciprocating one, however, it proves appealing for certain applications such as UAV propulsion and range extenders, where lightweight and compactness are of paramount importance. The current state-of-the-art of the Wankel technology is therefore reviewed, focusing on its applications and improvements over the years. As highlighted by the scarcity of the literature about the topic, the aforementioned disadvantages appear more as challenges to face perhaps investing more in this niche technology, commonly and unluckily disregarded. The engine geometry and volume law are then commented, providing useful formulae for the analysis of experimental data from an existing engine, aimed at validating a 1D-CFD model, characterizing the cyclic variability and analysing the likelihood of the knock phenomenon. A 3D-CFD model of the engine is then developed using the software OpenFOAM and the library Lib-ICE developed by the ICE research group of our university. The engine is simulated in both motored and firing conditions with the aim of validating the model against the available data from both experiments and 1D-CFD simulations. Possible improvements are discussed and the procedure followed in the analysis is described in depth. The model, then, could be used as a fast and reliable tool to improve an existing engine design, assessing the impact that certain modifications have on its performance, not necessarily entirely substituting, but completing somehow the experimental findings.

Questo lavoro di tesi tratta di un tipo di motore a combustione interna (CI) di per sé non nuovo, ma per molto tempo confinato alle retrovie, per via di inefficienze, usura di parti striscianti, elevate emissioni inquinanti ed altri svantaggi. Alla luce della corrente situazione di incertezza delle tecnologie propulsive a CI, sorge spontanea la domanda: “Perché interessarsi ancora dei motori CI, per di più rotativi?”. La risposta alla prima domanda potrebbe essere che semplicemente non siamo ancora pronti a rinunciarvi completamente. La seconda, invece, non è ben posta. Il motore rotativo non vuole proporsi come superiore al più tradizionale alternativo in ogni circostanza, ma sostituirlo in applicazioni che richiedono leggerezza, elevato rapporto peso-potenza e ingombri contenuti, come propulsione APR ed estensori di autonomia di motori elettrici. Lo stato dell‘ arte del motore Wankel viene dunque rivisto, approfondendone le applicazioni e i progressi nel corso degli anni. La scarsità di letteratura tecnica a riguardo dimostra come i precedenti svantaggi possano essere riguardati piuttosto come sfide da affrontare investendo di più in questa tecnologia da sempre (forse ingiustamente) tralasciata. La legge volumetrica del motore viene poi ricavata ed impiegata nelle successive analisi di dati sperimentali provenienti da un motore esistente, volte a validarne un modello CFD-1D e a caratterizzarne variabilità ciclica e probabilità di detonazione. Successivamente, un modello numerico 3D del motore viene presentato. Il software utilizzato è OpenFOAM, completato da una libreria di funzioni sviluppata in loco al Politecnico di Milano (Lib-ICE). Il motore è simulato sia in condizioni trascinate che con combustione allo scopo di validare il modello a fronte dei dati sperimentali e delle simulazioni 1D, proponendo possibili miglioramenti discussi nel seguito. Il modello sviluppato si configura, dunque, come uno strumento d’ ausilio in fase progettuale e di verifica consentendo di valutare l' impatto di modifiche apportate in modo rapido ed economico, non necessariamente sostituendosi agli esperimenti, ma in un certo senso completandone i risultati.