Preliminary evaluation of performance and efficiency limits in free-piston linear generators operating with renewable fuels

The global energy transition, driven by the European Union’s ambitious goal of achieving carbon neutrality by 2050, necessitates innovative research in the transport sector to overcome the limitations of conventional internal combustion engines and reduce reliance on fossil fuels. In this context, Free Piston Engines (FPEs) emerge as a promising solution to enhance efficiency and enable multi-fuel operation. A distinctive feature of FPEs is the absence of a crankshaft, which unlinks the piston’s motion from a rigid mechanical connection, hence the term "free piston". This work builds upon the experimental research conducted by Svrcek during his Ph.D., which led to the device commercialized in 2020 by Mainspring Energy. Svrcek’s doctoral thesis demonstrated the feasibility of developing a device capable of operating with Homogeneous Charge Compression Ignition (HCCI) and achieving efficiencies between 50% and 60%. The primary objective of this thesis is to deepen the understanding of FPEs by modeling Svrcek’s rapid compression machine. This initial modeling then served as a foundation to simulate a preliminary prototype, aiming to progress towards a more realistic model. This research was conducted using the open-source CFD software OpenFOAM®, coupled with the LibICE library developed by the ICE Group at Politecnico di Milano. These tools facilitated the simulation of both piston dynamics and combustion processes, leading to insights into how various design parameters influence system performance. Indeed, a crucial factor in evaluating the feasibility of a given FPE configuration is its adherence to imposed limits on pressure variation and piston position over time. Simulations using methane demonstrated configurations capable of reaching 60% efficiency while keeping NOx and particulate matter emissions below critical thresholds. Furthermore, this study successfully demonstrated the multi-fuel capability of the system by simulating combustion with hydrogen as a chemical energy source. However, increased control challenges were observed in the latter case. These results confirm the potential of FPE technology to contribute to higher internal combustion engine efficiencies. They underscore the ongoing need for further research, not only into the behaviors associated with different fuels and engine dynamics but also into complementary aspects crucial for the proper functioning of this technology, such as lubrication and linear generator design.

Nel contesto della transizione energetica guidata dall’obiettivo dell’Unione Europea di raggiungere la neutralità carbonica entro il 2050, un settore come quello dei trasporti richiede che vengano svolte ricerche innovative per superare i limiti dei motori a combustione interna e ridurre la dipendenza dai combustibili fossili. Con questo obiettivo, il motore a pistoni liberi si propone come una possibilità per aumentare l’efficienza e aprire alla possibilità di utilizzare qualsiasi tipo di combustibile senza dover apportare modifiche sostanziali all’apparato. Caratteristica peculiare di questo tipo di motore è l’assenza di un albero a gomiti che vincola il moto del pistone, da qui il nome "pistoni liberi". Questo lavoro si basa sull’esperimento svolto da Svrcek durante il suo dottorato, e da cui è stato poi sviluppato il dispositivo commercializzato nel 2020 dalla società Mainspring Energy. Nella tesi di dottorato viene dimostrata la possibilità di realizzare un dispositivo capace di lavorare utilizzando una combustione di tipo HCCI e raggiungere efficienze comprese tra il 50% e il 60%. Obiettivo principale di questa tesi è quello di approfondire la comprensione del motore a pistoni liberi partendo proprio dalla modellizzazione della macchina a compressione rapida di Svrcek, in modo da poter poi simulare un primo prototipo che possa condurre ad un modello più realistico. Questo lavoro è stato realizzato utilizzando il software open-source di CFD OpenFOAM® unitamente alla libreria LibICE realizzata dall’ICE Group del Politecnico di Milano. Questi hanno permesso di simulare sia la dinamica del pistone che i processi di combustione, arrivando, così, alla comprensione di come alcuni parametri di design influenzano le performance del sistema. Alla base della valutazione di realizzabilità di una determinata cofigurazione di un FPE, infatti, vi è il rispetto o meno dei limiti imposti alla variazione di pressione e alla posizione del pistone nel tempo. Utilizzando il metano sono state simulate configurazioni capaci di raggiungere efficienze del 60% pur mantenendo i limiti di NOx e particolato al di sotto delle soglie critiche. In un secondo momento, inoltre, è stato possibile dimostrare la capacità multi-combustibile di questo sistema, realizzando combustioni che impiegavano idrogeno come fonte di energia chimica. Quello che si è osservato in quest’ultimo caso, tuttavia, è una maggiore difficoltà nel controllo. Questi risultati hanno confermato le potenzialità della tecnologia FPELG nell’ottica di contribuire ad aumentare l’efficienza dei motori a combustione interna, sottolineando la necessità di proseguire la ricerca per approfondire non solo i comportamenti relativi all’impiego di diversi combustibili e alla dinamica del motore, ma anche aspetti ad essi complementari per il corretto funzionamento di questa tecnologia, come la lubrificazione e il design del generatore lineare.