CFD study of a heavy-duty compression ignition methanol engine

As global regulations tighten around emissions and dependence on fossil fuels, there is a growing shift towards renewable and low-carbon fuels such as e-fuels. This transition is particularly relevant in sectors like marine transportation, where electrification remains impractical due to high energy demands and operational constraints. In this context, methanol has emerged as a promising e-fuel for internal combustion engines. Methanol is a efficient alternative fuel due to its versatile production from fossil sources, biomass, or renewable electricity via carbon capture. Its liquid form at ambient conditions allows easy storage and use within existing infrastructure. With no carbon–carbon bonds, methanol enables cleaner combustion and offers potential for lower emissions. Its high knock resistance also supports high-efficiency engine designs. However, its application in compression ignition engines is challenging due to poor autoignition properties and strong cooling effects. This thesis investigates the conversion of a heavy-duty diesel engine to operate solely on methanol while maintaining compression ignition. The study focuses on a 12.8-litre, 6-cylinder Volvo Penta D13 engine, originally designed for marine applications. The objective is to retain the CI concept and minimise hardware modifications, enabling a practical and scalable transition. The research explores various ignition strategies to address methanol’s limitations, including single injection, pilot injection, and glow plug-assisted ignition. A simulation-based methodology is employed, combining one-dimensional engine modelling in GT-Power with high-fidelity three-dimensional CFD simulations in CONVERGE. These models evaluate combustion behaviour, ignition stability, and emission formation under full-load and part-load conditions. Detailed sub-models for spray dynamics, heat release, and emission predictions are incorporated to capture the complex in-cylinder processes of methanol combustion. The findings demonstrate that, with appropriate ignition support and control strategies, methanol can achieve reliable combustion and competitive performance compared to conventional diesel fuel. While methanol shows promise in reducing CO, HC, and soot emissions, challenges remain in achieving NOₓ control and cold-start reliability. Sensitivity analyses highlight the importance of glow plug placement, injection timing, and intake conditions in optimising performance. In conclusion, this work contributes to the growing body of research on low-carbon marine propulsion by showing that methanol is a technically viable and cleaner alternative fuel for CI engines, provided that specific ignition and thermal management strategies are implemented.

Con l'inasprimento delle normative mondiali sulle emissioni e sulla dipendenza dai combustibili fossili, si assiste a un crescente spostamento verso i combustibili rinnovabili e a basse emissioni di carbonio, come i carburanti elettronici. Questa transizione è particolarmente importante in settori come il trasporto marittimo, dove l'elettrificazione rimane impraticabile a causa dell'elevata richiesta di energia e dei vincoli operativi. In questo contesto, il metanolo è emerso come un promettente e-carburante per i motori a combustione interna. Il metanolo è un carburante alternativo efficiente grazie alla sua versatile produzione da fonti fossili, biomasse o elettricità rinnovabile tramite la cattura del carbonio. La sua forma liquida a condizioni ambientali consente un facile stoccaggio e utilizzo all'interno delle infrastrutture esistenti. Non avendo legami carbonio-carbonio, il metanolo consente una combustione più pulita e offre un potenziale di riduzione delle emissioni. La sua elevata resistenza all'urto favorisce inoltre la progettazione di motori ad alta efficienza. Tuttavia, la sua applicazione nei motori ad accensione spontanea è difficile a causa delle scarse proprietà di autoaccensione e dei forti effetti di raffreddamento. Questa tesi studia la conversione di un motore diesel per impieghi gravosi per funzionare esclusivamente a metanolo, mantenendo l'accensione per compressione. Lo studio si concentra su un motore Volvo Penta D13 da 12,8 litri e 6 cilindri, originariamente progettato per applicazioni marine. L'obiettivo è quello di mantenere il concetto di CI e ridurre al minimo le modifiche hardware, consentendo una transizione pratica e scalabile. La ricerca esplora diverse strategie di accensione per risolvere i limiti del metanolo, tra cui l'iniezione singola, l'iniezione pilota e l'accensione assistita da candelette. Viene utilizzata una metodologia basata sulla simulazione, che combina la modellazione monodimensionale del motore in GT-Power con simulazioni CFD tridimensionali ad alta fedeltà in CONVERGE. Questi modelli valutano il comportamento della combustione, la stabilità dell'accensione e la formazione di emissioni in condizioni di pieno carico e di carico parziale. Sono stati incorporati sottomodelli dettagliati per la dinamica degli spruzzi, il rilascio di calore e la previsione delle emissioni, per catturare i complessi processi all'interno del cilindro della combustione del metanolo. I risultati dimostrano che, con un adeguato supporto all'accensione e strategie di controllo, il metanolo può ottenere una combustione affidabile e prestazioni competitive rispetto al gasolio convenzionale. Sebbene il metanolo si dimostri promettente nel ridurre le emissioni di CO, HC e fuliggine, restano da affrontare le sfide legate al controllo degli NOₓ e all'affidabilità dell'avviamento a freddo. Le analisi di sensibilità evidenziano l'importanza del posizionamento della candeletta, dei tempi di iniezione e delle condizioni di aspirazione per ottimizzare le prestazioni. In conclusione, questo lavoro contribuisce al crescente numero di ricerche sulla propulsione marina a basse emissioni di carbonio, dimostrando che il metanolo è un carburante alternativo tecnicamente valido e più pulito per i motori ad accensione spontanea, a condizione che vengano implementate specifiche strategie di accensione e di gestione termica.