CFD combustion modeling of alternative fuels with tabulated kinetics

The relentless advancement in emissions regulations necessitates innovative approaches in the automotive sector, particularly concerning the environmental impacts of internal combustion engines. This thesis explores the retrofitting of existing engine architectures to utilize alternative fuels, such as dimethyl ether (DME), ammonia and hydrogen, as a rapid and cost-effective solution to meet emerging emissions standards. The focus is on reducing regulated pollutant emissions, minimizing particulate matter production, and lowering CO2 emissions through the use of synthetic fuels produced from carbon-neutral sources. Addressing the fluid-dynamic challenges posed by compression-ignition engines, including reactive, highly-turbulent flows, complex flame-wall interactions, and phase changes during injection, this work employs numerical methods to model combustion. The study leverages LibICE, a set of libraries based on OpenFOAM technology, to simulate the combustion processes in engines operating with these alternative fuels. The combustion models tested include both detailed and tabulated kinetics, incorporating turbulence-chemistry interactions. Additionally, an original methodology was developed within the OpenSMOKE++ framework to generate the necessary lookup tables for tabulated approaches. The thesis initially focuses on DME, noting its low carbon content and oxygenated nature, which make it a promising substitute for diesel in terms of emissions reduction and efficiency retention. The research then extends to a hydrogen-diesel dual-fuel system, showing the potential of the developed combustion models to capture different combustion scenarios. Finally, the possibility of using ammonia as a fuel was investigated, highlighting the challenges and potential of using such a hydrogen-rich, carbon-free fuel in dual-fuel configurations. Overall, this research contributes to the understanding of alternative fuels’ behavior in traditional compression ignition engines, providing a foundation for future studies and technological developments aimed at reducing the environmental footprint of the transportation sector.

Il continuo avanzamento delle normative sulle emissioni richiede approcci innovativi nel settore dei trasporti, in particolare per quanto riguarda l’impatto ambientale dei motori a combustione interna. Questa tesi esplora il retrofit delle architetture dei motori esistenti per utilizzare combustibili alternativi, come etere dimetilico (DME), ammoniaca e idrogeno, come soluzione rapida ed economica per soddisfare i nuovi standard sulle emissioni. L’obiettivo è ridurre le emissioni di inquinanti regolamentati, minimizzare la produzione di particolato e abbassare le emissioni di CO2 attraverso l’uso di combustibili sintetici prodotti da fonti a zero emissioni di carbonio. Affrontando le sfide fluidodinamiche poste dai motori ad accensione per compressione, che includono flussi reattivi altamente turbolenti, interazioni complesse tra fiamma e parete e cambi di fase durante l’iniezione, questo lavoro impiega metodi numerici per modellare la combustione. Lo studio utilizza LibICE, un insieme di librerie basate sul framework di OpenFOAM, per simulare i processi di combustione nei motori che operano con questi combustibili alternativi. I modelli di combustione testati includono sia cinetiche dettagliate che tabulate, incorporando le interazioni tra turbolenza e chimica. Inoltre, è stata sviluppata una metodologia originale all’interno del framework di OpenSMOKE++ per generare le tabelle necessarie per gli approcci tabulati. La tesi si concentra inizialmente sul DME, evidenziando il suo basso contenuto di carbonio ed elevato contenuto di ossigeno, che lo rendono un sostituto promettente del diesel in termini di riduzione delle emissioni e mantenimento dell’efficienza. La ricerca si estende poi a un sistema dual-fuel idrogeno-diesel, dimostrando il potenziale dei modelli di combustione sviluppati per catturare diversi scenari di combustione. Infine, è stata esaminata la possibilità di utilizzare l’ammoniaca come combustibile, evidenziando le sfide e il potenziale di utilizzo di un combustibile ricco di idrogeno e privo di carbonio in configurazioni dual-fuel. In sintesi, questa ricerca contribuisce alla comprensione del comportamento dei combustibili alternativi nei motori tradizionali ad accensione per compressione, fornendo una base per futuri studi e sviluppi tecnologici mirati a ridurre l’impronta ambientale del settore dei trasporti.