Studio numerico di strategie per la riduzione delle emissioni di idrocarburi incombusti in un motore a gas naturale di grande cilindrata a miscela magra con accensione in precamera = Numerical investigation on hydrocarbon emissions reduction strategies in a lean burn prechamber-ignited large bore gas engine

Negli ultimi anni l’interesse riguardo i motori a gas naturale a miscela magra è cresciuto notevolmente nei settori marittimo e di generazione di energia, in quanto permettono una riduzione delle emissioni di ossidi di azoto (NOx) e di gas serra rispetto ai convenzionali motori Diesel. Per ottenere un processo di combustione efficiente e stabile però, essendo la miscela magra meno reattiva, sono necessari sistemi di accensione innovativi in grado di fornire un maggiore quantitativo di energia alla carica. Una delle soluzioni più interessanti è la precamera di combustione (PCC) attiva, un piccolo volume in cui una miscela circa stechiometrica viene accesa tramite una candela. I prodotti di combustione fuoriescono dalla precamera attraverso dei piccoli fori di collegamento, aumentando considerevolmente la probabilità di accensione della miscela magra e preformata presente in camera principale (MC). Ad oggi, una delle sfide maggiori per i costruttori di questa tipologia di motori è la riduzione delle emissioni di idrocarburi incombusti (HC). Se non controllate adeguatamente infatti, essendo il metano (CH4) un gas serra con un potenziale di surriscaldamento globale su 100 anni (GWP100) 25 volte superiore alla CO2, i vantaggi in termini di impronta carboniosa potrebbero ridursi. In questa tesi di laurea magistrale differenti strategie per la riduzione delle emissioni di idrocarburi, con particolare attenzione ai moti ordinati della carica in camera di combustione, sono state analizzate attraverso un modello di combustione predittivo sviluppato nel software commerciale GT-SUITE. Come caso studio è stato scelto il motore Wartsila W31 SG singolo cilindro. A tale scopo, è stata eseguita una review di letteratura per valutare da un lato gli effetti dei parametri della precamera sulla combustione in camera principale, e dall’altro per analizzare le fonti di HC nei motori a miscela magra e gli effetti dei moti della carica su tali emissioni. Successivamente, i dati sperimentali condivisi, contenenti prove con diverse tipologie di moti ordinati della carica, sono stati analizzati per ottenere informazioni preliminari sull’effetto di swirl e tumble sul processo di combustione. Dopo questa dettagliata analisi dei dati sperimentali, il modello motore è stato inizialmente validato imponendo il profilo di combustione, poi due modelli di combustione, “SITurb” e “JetIgnition” rispettivamente per la combustione in precamera e camera principale, sono stati calibrati e validati ottenendo un più che soddisfacente accordo con i dati sperimentali. Infine, è stato implementato nella piattaforma GT-SUITE un modello per predire le emissioni di HC. In questo modo, è stato ottenuto un modello completamente predittivo in grado di descrivere sia la combustione che la produzione di idrocarburi incombusti, e che può essere quindi utilizzato per guidare ed accelerare il processo di sviluppo del motore