Progetto cluster Biomarmo - Da scarti di lavorazione a prodotti a elevato val...
PPT-Paipais
1. Corso di Laurea Magistrale in Ingegneria Meccanica per l’Energia e l’Ambiente
(Classe delle Lauree in Ingegneria Industriale N.LM 33)
DIPARTIMENTO DI INGEGNERIA INDUSTRIALE (DII)
UNIVERSITÀ DEGLI STUDI DI NAPOLI FEDERICO II
SCUOLA POLITECNICA E DELLE
SCIENZE DI BASE
ELABORATO DI LAUREA
ANALISI CFD DEI PROCESSI DI FORMAZIONE DELLA MISCELA E DI
COMBUSTIONE IN UN MOTORE AD ACCENSIONE PER COMPRESSIONE
ALIMENTATO A BIODIESEL
RELATORE
Ch.mo Prof. Ing. Adolfo Senatore
CORRELATORE
Ing. Michela Costa
Istituto Motori - CNR di Napoli
Candidato
Alexandros Arnaldo Antonio Paipais
M65000064
ANNO ACCADEMICO 2013-2014
2. Istituto Motori – C.N.R. di Napoli
Il lavoro di tesi, svolto presso l’Istituto Motori del C.N.R. di Napoli, mira alla validazione di un modello
tridimensionale di simulazione dei processi di formazione della miscela e di combustione che hanno luogo in un
motore ad accensione per compressione light-duty dotato di sistema di iniezione Common Rail alimentato con
blends di biodiesel.
3. Indice
• Il biodiesel;
• La CFD (computational fluid-dynamics) applicata ai motori a c.i.;
• Lo spray di combustibile:
• Processo di combustione:
• Conclusioni.
• Modellistica della dinamica di spray in atmosfera gassosa
• Caratterizzazione sperimentale
• Validazione del modello tridimensionale
• Apparato sperimentale
• Meccanismi di cinetica chimica
• Validazione del modello tridimensionale
4. Il biodiesel
Nell’intento di risolvere il compromesso prestazioni-consumi-emissioni, la ricerca si è spinta verso i
combustibili cosiddetti alternativi, tra cui il biodiesel, che può essere utilizzato nei motori diesel senza
modifiche al sistema di iniezione
1.000 kg di olio raffinato + 100 kg di metanolo = 1.000 kg di biodiesel + 100 kg di glicerolo
Processo di transesterificazione: diminuire la viscosità dell’olio raffinato
5. La fluidodinamica numerica applicata ai motori a combustione interna
CFD (Computational Fluid-Dynamics)
Applicazioni: regimi instazionari, bifase, sistemi turbolenti reagenti, etc.
Il codice AVL FireTM
è basato sul metodo ai volumi finiti.
Equazione di conservazione della massa:
Equazione di bilancio della quantità di moto:
Equazione di conservazione dell’energia:
Equazione di bilancio delle specie chimiche:
6. Dinamica di spray liquidi in atmosfera gassosa
In ambito ingegneristico i calcoli sullo spray si basano sul metodo
Discret Droplet Method:
approccio Lagrangiano per la fase liquida
approccio Euleriano per la fase gassosa
• Sotto-modello di break-up
• Sotto-modello di dispersione turbolenta delle gocce
• Sotto-modello di coalescenza e collisione
• Sotto-modello di cavitazione interna al polverizzatore
7. Caratterizzazione sperimentale di spray di biodiesel
4 strategie di iniezione:
Pinj = 50, 97, 115 e 123 MPa
Densità = 16.3, 18.6, 23.9, 33.6 kg/m3
3 tipi di combustibili:
Diesel;
RME50 (50% diesel + 50% biodiesel di colza);
SME50 (50% diesel + 50% biodiesel di soia);
Gas: Esafluoro di zolfo (SF6)
8. Validazione di un modello tridimensionale di simulazione
della dinamica di spray in un ambiente confinato
Pinj=97 MPa; density=18.6 kg/m3
Pinj=115 MPa; density=22.9 kg/m3
9. Apparato sperimentale e definizione della griglia computazionale
• Il motore 1.3 CDTI 95 CV GM
• Definizione della griglia computazionale
Mesh – pistone al PMS 20.000 celle Mesh – pistone al PMI 48.000 celle
Dati caratteristici motore 1.3 CDTI 95 CV Pistone MAHLE 010 04 00
Sala Prove F3- Istituto Motori
10. Modelli di combustione
Sono stati utilizzati 2 modelli di combustione
1) Modelli di combustione ridotto ECFM – 3Z
Ogni cella computazionale è divisa in tre zone
2) Meccanismo cinetico dettagliato
Il meccanismo cinetico 5.000 specie e 12.000 reazioni
Il meccanismo cinetico dettagliato semplificato
(Politecnico di Milano – Dipartimento di Ing. Chimica):
‒ lumping
‒ skeletal reduction
154 specie e 1.300 reazioni
11. Simulazione numerica del processo di combustione: condizioni di prova
Sono state eseguite simulazioni con 2 tipi di combustibile: biodiesel al 100% (B100) e gasolio commerciale
contenente il 5% di biodiesel (B05).
Per ogni tipo di combustibile sono state esaminate 3 condizioni diverse di prova riportate nelle tabelle seguenti:
Fuel RPM
Torque
[Nm]
PME [bar] Power [kW]
TIntake
[°C]
Pboost
[bar]
Pinj [bar]
QInj
[mm3/str]
SOI
[cad ATDC]
B05 2000 49.7 5.00 10.40 21 1.22 640 13.9 -5
B05 2500 78.9 7.94 20.65 21 1.45 860 19.8 -4.2
B05 2750 119.1 11.99 34.28 21 1.81 1140 26.5 -9
Fuel RPM
Torque
[Nm]
PME [bar]
Power
[kW]
TIntake
[°C]
Pboost
[bar]
Pinj [bar]
QInj
[mm3/str]
SOI [cad
ATDC]
B100 2000 49.9 5.0 10.4 22 1.23 650 15.4 -3.6
B100 2500 80 8.1 20.9 21 1.45 865 21.6 -3.5
B100 2750 119.5 12.03 34.40 21 1.81 1125 29 -9.1
14. Mass Fraction NO 0.0002239
Mass Fraction CO 0.004266
Mass Fraction soot 1.169x 10-6
Risultati della simulazione numerica del processo di combustione: B100 e 2.500 rpm
15. Mass Fraction NO 0.0002239
Mass Fraction CO 0.0033
Mass Fraction soot 1.58x 10-6
Risultati della simulazione numerica del processo di combustione: B100 e 2.750 rpm
Confronto pressione numerica/sperimentale
Frazione massica di NO e CO
Frazione massica di soot
Frazione di massa di CO (c.a.=380°)Confronto frazione di massa di soot
numerico /sperimentale
Equivalent ratio (c.a.=368°)
16. Mass Fraction NO 0.00014
Mass Fraction CO 0.00412
Mass Fraction soot 7,86 x 10
-7
Risultati della simulazione numerica del processo di combustione: B05 e 2.500 rpm
Confronto pressione numerica/sperimentale
Frazione massica di NO e CO
Frazione massica di soot
Frazione di massa di CO (c.a.=380°)Confronto frazione di massa di soot
numerico /sperimentale
Equivalent ratio (c.a.=368°)
17. Mass Fraction NO 0.000176
Mass Fraction CO 0.00329
Mass Fraction soot 1,603 x 10
-6
Risultati della simulazione numerica del processo di combustione: B05 e 2.750 rpm
Confronto pressione numerica/sperimentale
Frazione massica di NO e CO
Frazione massica di soot
Frazione di massa di CO (c.a.=380°)Confronto frazione di massa di soot
numerico /sperimentale
Equivalent ratio (c.a.=365°)
19. Il meccanismo cinetico dettagliato
2.500 rpm 2.750 rpm2.000 rpm
Limitatamente alla miscela B100, è stato utilizzato un meccanismo cinetico dettagliato costituito da 154 specie chimiche e
1.300 reazioni chimiche.
20. Conclusioni
• È stato messo a punto un modello tridimensionale che simula la dinamica spazio-temporale dello spray di biodiesel,
iniettato in atmosfera gassosa, in condizioni non evaporanti, attraverso un sistema di iniezione di tipo Common Rail. Il
modello sviluppato ha mostrato una buona capacità di previsione dei principali fenomeni per differenti condizioni di
esercizio.
• È stato messo a punto un modello tridimensionale che simula il processo di combustione utilizzando due diversi
meccanismi di cinetica chimica ossia un meccanismo semplificato e un meccanismo dettagliato per differenti condizioni
di prova e combustibili. Per quanto riguarda il primo meccanismo è emerso che i processi di formazione della miscela e
di combustione sono riprodotti abbastanza fedelmente per entrambe le tipologie di combustibile in quasi tutte le
condizioni di prova. Per il meccanismo dettagliato non è stato possibile ottenere un ciclo di pressione a causa di un
conflitto tra il solutore e lo stesso meccanismo. Il problema è in fase di risoluzione.
• Dal confronto delle emissioni di inquinanti tra la miscela B100 e B05 è emerso che la formazione di NO risulta
maggiore per la miscela di biodiesel puro mentre la formazione di soot risulta maggiore per la miscela B05.
