Scenari Modellistici legati all Introduzione di Miscele di Metano e Idrogeno nei MCI (Progetto

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1 Università degli Studi di Roma Tor Vergata Scenari Modellistici legati all Introduzione di Miscele di Metano e Idrogeno nei MCI (Progetto BONG-HY) Prof. Stefano Cordiner Ing. Vincenzo Mulone Ing. Riccardo Scarcelli

2 Indice Obiettivo del lavoro Strumenti computazionali I modelli di combustione turbolenta Metodologia di Analisi e Risultati Conclusioni e prospettive

3 Indice Obiettivo del lavoro Strumenti computazionali I modelli di combustione turbolenta Metodologia di Analisi e Risultati Conclusioni e prospettive

4 Obiettivo Analisi numerica delle modifiche al processo di combustione derivanti dalla sostituzione di una parte del metano (15% in volume) con idrogeno Studio dell influenza dei principali parametri motoristici (ricchezza di miscela e anticipo all accensione) su prestazioni ed emissioni PROCEDURA NUMERICO-SPERIMENTALE PER L OTTIMIZZAZIONE DEL MOTORE

5 Indice Obiettivi del lavoro Strumenti computazionali I modelli di combustione turbolenta Metodologia di Analisi e Risultati Conclusioni e prospettive

6 Codici 1D: il codice Framework (FW2000) Analisi del funzionamento dell intero sistema motore Codice integrato 0D-1D Elementi zerodimensionali (capacità, cilindro-pistone) Elementi monodimensionali (condotti, scambiatori di calore) Giunzioni Calcolo dei riempimenti dei cilindri

7 Codici 3D: il codice KIVA-3V Analisi del sistema cilindro-pistone Codice CFD open sources Sottomodelli di iniezione, accensione, combustione turbolenta Algoritmo A. L. E. Griglie strutturate mobili (simulazione moto pistone e valvole) Rappresentazione locale del processo di combustione

8 Indice Obiettivi del lavoro Strumenti computazionali I modelli di combustione turbolenta Metodologia di Analisi e Risultati Conclusioni e prospettive

9 9 ( ) i i i i i Y u m J Y u t Y + = + &, Modelli di combustione turbolenta Modello di combustione ( ) T u c q h m t p J T u t T c p r n i i i T p + = + = 0, & Modello di turbolenza (k-ε) Equazioni della termofluidodinamica. Chiusura dei termini

10 Modelli di combustione: Il CFM (Flamelet) Ipotesi fondamentali due zone (burned-unburned) proprietà locali laminari (s L ) Corrugated Flame Front Burned Domain Unburned Domain m& ( Σ) t fuel = u L 0 f 0 + RΣ = ( s I Y )Σ ( uσ) D Σ Costanti del modello Σ = Γ k ( Σ) k βrsl ( Σ) 2 ε Y1 Transport equation s L velocità laminare del fronte di fiamma Σ superficie del fronte di fiamma per unità di volume Reaction rate 2 ( u) Σ 10

11 Indice Obiettivi del lavoro Strumenti computazionali I modelli di combustione turbolenta Metodologia di Analisi e Risultati Conclusioni e prospettive

12 Metodologia di Analisi SETUP SPERIMENTALE TARATURA E VALIDAZIONE DEL MODELLO STRUMENTO DI CALCOLO AFFIDABILE OTTIMIZZAZIONE PARAMETRI VERIFICA SPERIMENTALE NO TARGET SI

13 Metodologia di Analisi e Risultati Prima interazione con la sperimentazione Interpretazione dei dati sperimentali Implementazione delle modifiche e validazione del modello Seconda interazione con la sperimentazione Simulazioni numeriche per ottimizzazione del motore Ri-Mappatura centralina e test sperimentali al banco a rulli

14 Analisi del ciclo di pressione sperimentale Strumentazione AVL Sensore di pressione in camera di combustione (sp) Amplificatore di carica (amp) Sensore ottico di posizione angolare (se) 14

15 Analisi del ciclo di pressione sperimentale Strumentazione AVL Ciclo Indicato pmi Coppia 15

16 Interpretazione dei dati sperimentali Analisi del ciclo di pressione sperimentale (medio) proveniente da ENEA Simulazione 1D volta a dare indicazioni sul coefficiente di riempimento (λ v ) dei cilindri Simulazione 3D volta alla taratura delle costanti del modello sul motore in esame (alimentazione a metano)

17 Taratura del modello su casi a Metano

18 Combustione di Miscele di Metano ed Idrogeno Calcolo della velocità del fronte di fiamma (Cantera) m& fuel = u L 0 f 0 RΣ = ( s I Y )Σ s L = f ( ) p T, φ,, H 2 Meccanismo GRI-MECH specie chimiche 325 reazioni elementari

19 Validazione del Modello su casi a Miscela

20 Metodologia di Analisi e Risultati Prima interazione con la sperimentazione Interpretazione dei dati sperimentali Implementazione delle modifiche e validazione del modello Seconda interazione con la sperimentazione Ottimizzazione dell anticipo per miscele stechiometriche Studio sulla combustione in regime di miscele magre Ciclo di pressione Prestazioni Temperatura in camera [NO X ]

21 Ottimizzazione dell anticipo per miscele stechiometriche Velocità di propagazione della fiamma maggiore nel caso a miscela Prestazioni maggiori

22 Ottimizzazione dell anticipo per miscele stechiometriche Velocità di propagazione della fiamma maggiore nel caso a miscela Opportuno ritardo dell accensione per minimizzare NO mantenendo le prestazioni CONDIZIONI OPERATIVE VARIAZIONE ANTICIPO 1500 RPM 25% CARICO RPM 50% CARICO RPM 25% CARICO RPM 50% CARICO RPM 25% CARICO RPM 50% CARICO +4

23 Studio sulla combustione in regime di miscele magre. Prestazioni sul ciclo CH4 MIX lambda 1.0 MIX lambda 1.1 MIX lambda 1.2 MIX lambda 1.3 MIX lambda pmi [310:480]

24 Studio sulla combustione in regime di miscele magre. Temperature in camera CA 380 λ = 1.0 λ = 1.4

25 Indice Obiettivi del lavoro Strumenti computazionali I modelli di combustione turbolenta Metodologia di Analisi e Risultati Conclusioni e prospettive

26 Conclusioni L introduzione di una certa quantità di idrogeno in una miscela di metano ed aria favorisce la propagazione del fronte di fiamma, consentendo un miglioramento delle prestazioni e delle emissioni di CO2. L aumento delle emissioni di NO può essere contenuto seguendo due approcci: Una diminuzione dell anticipo (+4 su tutto il range di numero di giri e carico) per miscele stechiometriche. Buona riduzione di CO2 (-15%) e mantenimento delle prestazioni in termini di coppia (-10%) L utilizzo di miscele magre (λ>1.4) ad anticipo invariato. Risultati ancora migliori su consumi ed emissioni di CO2 (-20%) ma drastica riduzione delle prestazioni in termini di coppia (-50%)

27 Prospettive Future Completamento del processo di ottimizzazione dei parametri motoristici (miscele ultra-magre ed accensione anticipata). Limiti di infiammabilità delle miscele di metano ed idrogeno Sviluppo di modelli di previsione sulla formazione di NO Progettazione camera di combustione e/o condotti per miglioramento dei coefficienti di riempimento

28 Ottimizzazione Anticipo per Miscele Magre Aumento Anticipo Elevate Pressioni e Temperature NO X

29 Università degli Studi di Roma Tor Vergata Scenari Modellistici legati all Introduzione di Miscele di Metano e Idrogeno nei MCI (Progetto BONG-HY) Prof. Stefano Cordiner Ing. Vincenzo Mulone Ing. Riccardo Scarcelli

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34 34 I termini incogniti vengono modellati in funzione di una viscosità fittizia turbolenta µt. Vengono introdotte due nuove grandezze k energia cinetica turbolenta ε velocità di dissipazione dell energia cinetica turbolenta Modelli di turbolenza Modello di turbolenza k-ε σ ν T T u t t = σ ν Y Y u i t t i = ε ν µ 2 k t = c β β β β ν ε ν p u u u k k u t k t t = + ln ε ε β β ε ε β β ν ε ε σ ν ε ε p c k c u u u k c k u t t t = + ln t ν t µ = 2 ulteriori equazioni del trasporto

35 Modelli di combustione: Il Modello CFM u rappresenta la turbolenza Sl velocità laminare di fiamma L scala integrale delle lunghezze δl spessore fiamma laminare Ka = tl/tk numero di Karlovitz Da = tt/tl numero di Damkholer tl tempo caratteristico laminare tt tempo caratteristico turbolento tk scala dei tempi di kolmogorov Ka<1 Ka > 1 Modelli Flamelet Flamelets = fiamme laminari corrugate 35

36 Calcolo della velocità laminare F.F. (CANTERA) CANTERA è un software open-source che consente di calcolare l evoluzione di sistemi chimici (www.cantera.org) Nel contesto del modello CFM, CANTERA è utilizzato come pre-processor per il calcolo della velocità laminare del Fronte di Fiamma (F.F.) al variare della %H2 Il modello fisico 1D simula diffusione, convezione e reazioni chimiche di numerose specie coinvolte nella chimica della combustione Equazione continuità Equazione energia Equazione k-esima specie Aumento di temperatura attraverso la fiamma di una miscela aria/ng Tipico file di output di CANTERA 36

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