Analisi termofluidodinamica per lo sviluppo di motori GDI turbo di ultima generazione

Valutazione dei principali parametri motoristi per incrementare l'efficienza di un motore GDI turbo di ultima generazione al fine di rispettare le normative anti-inquinamento.

Simulazioni multifase del flusso di iniettori per applicazioni a motori gdi

Questo lavoro si concentra sullo studio fluidodinamico del flusso multifase cavitante di un iniettore per applicazioni a motori ad iniezione diretta (GDI). L’analisi è stata svolta tramite l’uso del software CFD (Computational Fluid Dynamics) Star-CCM+^® sviluppato da CD-ADAPCO. L’obiettivo di questo studio è investigare i motivi che portano ad un diverso comportamento tra i rilievi della prova sperimentale di caratterizzazione dell’iniettore e quanto atteso dai valori nominali dettati dalla specifica dell’iniettore, con particolare riferimento alla distribuzione di portata fra i diversi ugelli. Il presente lavoro fa parte di una coppia di elaborati collegati tra loro e, pertanto, ha inoltre lo scopo di fornire dati utili allo sviluppo dell’altro tema di analisi mirato alla individuazione di parametri di qualità della miscela aria-combustibile non reagente utili alla previsione della formazione del particolato prodotto dalla combustione di un motore GDI. L’elaborato, costituito di 5 capitoli, è strutturato secondo lo schema sottostante. Nel capitolo 1 vengono presentate le motivazioni che lo hanno avviato e viene esposto lo stato dell’arte della tecnologia GDI. Il capitolo 2 è a sfondo teorico: in esso vengono riportati i fondamenti del processo di cavitazione nella prima parte e i modelli numerici utilizzati nell’analisi nella seconda. Il capitolo 3 descrive la modellazione e successiva validazione dei modelli tramite confronto con il test case ‘Comprensive hydraulic and flow field documentation in model throttle experiments under cavitation conditions’ (E. Winklhofer, 2001). Nella scelta dei modelli e dei parametri relativi, l’analisi si è basata su precedenti lavori trovati in letteratura. Successivamente è stato svolto uno studio di sensibilità per valutare la stabilità della soluzione a piccole variazioni nei valori dei parametri. La scelta dei parametri modellistici nel caso di interesse, l’iniettore multihole, si è basata inizialmente sui valori ‘ottimali’ ottenuti nel test case ed è l’argomento del capitolo 4. All’interno del capitolo si parla inoltre dell’analisi di sensibilità successiva, svolta con lo scopo di comprendere i motivi che portano allo sbilanciamento tra fori corrispondenti e al maggiore sviluppo del getto centrale rispetto agli altri. Nel capitolo 5 dopo un breve riepilogo dei punti fondamentali trattati nello svolgimento dell’elaborato, si tirano le conclusioni sull’analisi e si espongono gli sviluppi futuri.

Modellazione e verifica sperimentale delle dinamiche di aspirazione di un motore turbo GDI

Obiettivo di questo elaborato è quello di provvedere alla elaborazione dei dati geometrici necessari alla modellazione dei condotti di aspirazione e scarico di un motore 4 cilindri turbo benzina ad iniezione diretta (GDI) disponibile a banco prove. I dati sperimentali raccolti sono stati elaborati e sintetizzati, con lo scopo di fare avvicinare il più possibile le caratteristiche del modello a quelle del sistema a banco (cercando dunque di rendere il modello il più veritiero possibile). In primo luogo, saranno descritte le principali caratteristiche dei motori a combustione interna, con particolare enfasi rivolta ai componenti ed ai processi che caratterizzano i motori turbo GDI. In un secondo momento, sarà descritto come si è proceduto nella raccolta dei dati necessari alla modellazione e nell’elaborazione degli stessi. Il software cui l’elaborazione dei dati necessari alla modellazione è stata rivolta è GT-Suite, prodotto da Gamma Technologies e largamente utilizzato dalla maggior parte delle aziende del settore automotive.

Analisi degli effetti dell’iniezione d’acqua mediante simulazione CFD in un motore GDI ad alta potenza specifica

Negli ultimi anni il panorama evolutivo delle normative omologative ha dettato una severa evoluzione dei limiti sulla concentrazione degli inquinanti gassosi allo scarico, inclusa la CO2 per ragioni legate all'effetto serra ed al contenimento dei consumi di fonti energetiche non rinnovabili. L'obiettivo di sviluppo dei nuovi motori a combustione interna è principalmente rivolto all'incremento dell'efficienza di conversione limitato da fenomeni di combustione anomala quali la detonazione. Per superare tale limite è necessario individuare nuove soluzioni che riducano il rischio di detonazione all'aumentare della potenza specifica del motore tra cui trova interesse l'iniezione d'acqua in fase liquida perché l'elevato calore latente di vaporizzazione può fornire il raffreddamento della miscela desiderato. Il progetto sviluppato in questa tesi consiste nella valutazione degli effetti dell'iniezione d'acqua in un motore ad accensione comandata ad alta potenza specifica al fine di analizzarne gli effetti termo-fluidodinamici e valutarne i possibili benefici e svantaggi. La metodica di ricerca è stata di tipo numerico tramite l'adozione della simulazione CFD tridimensionale. Dopo una valutazione preliminare dei tempi caratteristici evaporativi e del rischio di saturazione, lo sviluppo di questa tesi si è articolato in un confronto tra le due soluzioni tecnologiche disponibili, iniezione d'acqua diretta e indiretta, analizzando l'influenza dell'iniezione d'acqua sulle grandezze motoristiche di maggiore interesse, quali titolo della miscela, intensità di turbolenza e temperatura, la cui ottimizzazione e il cui controllo sono fondamentali per il raggiungimento della massima efficienza di un motore ad accensione comandata e per superare il limite della detonazione.

Studio numerico dell’effetto dell’iniezione d’acqua sul rischio di detonazione di motori GDI ad alta potenza specifica

Nel contesto motoristico odierno, in cui le normative sulle emissioni sono sempre più stringenti, il costo dei carburanti è in costante rialzo e il diffondersi della consapevolezza che l’inquinamento prodotto dall’uomo ha alterato irreversibilmente il delicato equilibrio climatico, ha spinto i legislatori verso l’introduzione di norme sempre più stringenti per quanto riguarda le emissioni massime consentite ai motori ad accensione comandata. Questo ha portato alla ricerca di strategie che permettessero di proporre motori più efficienti mantenendo al contempo elevati livelli prestazionali. Il presente lavoro ha voluto meglio delineare le potenzialità e criticità di un sistema di iniezione d’acqua diretto studiandone gli effetti sul ciclo medio di combustione di un motore GDI ad alta potenza specifica alimentato con miscela stechiometrica. La metodica di ricerca è stata di tipo numerico tramite l’adozione di simulazioni CFD tridimensionali. Dopo una prima fase di studio per determinare la miglior combinazione di timing e pressione di iniezione in grado di portare i migliori benefici sotto l’aspetto termo-fluidodinamico nel motore in esame, si è analizzata la fase di combustione, realizzata con diversi anticipi e per quantitativi variabili d’acqua iniettata, procedendo poi al confronto con i risultati di combustione in condizioni di miscela ricca e assenza di acqua, rappresentativa delle condizioni di funzionamento attuali, al fine di individuare la minima massa d’acqua necessaria all’ottenimento delle medesime prestazioni. Si è proceduto poi a ricercare la massima prestazione tramite l’adozione di elevate pressioni d'iniezione, tali da permettere l’impiego di consistenti masse d’acqua. Infine, si sono indagati gli effetti dell’iniezione d’acqua al crescere del rapporto di compressione.

Valutazione delle potenzialità dell'iniezione d'acqua nei motori GDI di ultima generazione

L'industria automobilistica sta assistendo ad un importante cambiamento verso motorizzazioni con cilindrata unitaria minore, turbocompressi, e con iniezione diretta in camera, a causa delle normative sempre più stringenti sull'emissione di inquinanti allo scarico, inclusa la CO2 per ragioni legate all'effetto serra ed al contenimento dei consumi di fonti energetiche non rinnovabili. I motori turbocompressi lavorano con una pressione media effettiva maggiore, con conseguenti maggiori pressioni e temperature in camera, che di fatto aumentano il rischio di insorgenza di eventi di combustione anomale come pre-accensione e detonazione. Questo porta ad utilizzare il motore con angoli sub-ottimali di anticipo di accensione e con arricchimento della miscela per diminuire le temperature dei gas in ingresso alla turbina. Queste strategie non sono più compatibili con le nuove regolamentazioni, in quanto superano i limiti imposti di emissioni e consumo specifico in cicli reali di utilizzo su strada. Tra le varie possibili soluzioni, l'iniezione d'acqua è una tecnologia già conosciuta, che permette un controllo della tendenza alla detonazione. Il principio consiste nella riduzione della temperatura della carica grazie all'elevato calore latente di vaporizzazione della massa d'acqua iniettata. In questo lavoro sono stati valutati entrambi i layout di iniezione d'acqua, nel condotto e in camera di combustione, in due punti motore: massima potenza e massima coppia. La metodica di ricerca è stata di tipo numerico tramite l'utilizzo di simulazioni tridimensionali CFD a partire da una metodologia basata su modelli fisici solidamente validati. Il software commerciale utilizzato è stato AVL FIRE, che permette di manipolare in modo agevole i risultati sia al suo interno, sia tramite ambienti di calcolo esterno.

Studio dell'effetto dell'iniezione di acqua diretta in motori GDI mediante simulazioni CFD

L’introduzione di normative antinquinamento sempre più stringenti ha costretto le case automobilistiche a progettare motori sempre più efficienti e puliti, sviluppando propulsori downsized sovralimentati sottoposti a notevoli sollecitazioni termomeccaniche. L’iniezione di acqua è una tecnologia innovativa che sfrutta il calore latente di evaporazione dell’acqua per raffreddare la carica, allontanando il rischio di detonazione nei motori ad accensione comandata. Essa punta a sostituire l’attuale arricchimento della miscela nei punti di funzionamento critici, in modo da diminuire i consumi di carburante e contenere le emissioni di CO, sottoposte nel prossimo futuro a limitazioni più stringenti nei cicli di omologazione RDE. Il presente lavoro di tesi ha voluto indagare, tramite simulazioni CFD, gli effetti dell’iniezione diretta di acqua su un motore GDI sovralimentato, modellato virtualmente. Le simulazioni hanno coinvolto dapprima le fasi di aspirazione e compressione, valutando l’effetto di raffreddamento sulla carica, la dinamica di evaporazione dell’acqua immessa e l’interazione sia con la dinamica dell’aria all’interno del cilindro, sia con la miscelazione aria-combustibile. Presi come riferimento i casi con λ1 e λ0,75 senz’acqua, l’analisi è iniziata quindi valutando quale fosse la fasatura di iniezione ottimale ed è proseguita analizzando gli effetti di due sistemi di iniezione a 50 bar e 150 bar al variare della quantità di acqua immessa. Una volta trovati i casi migliori nelle due configurazioni, si è proceduto a simulare la combustione, verificando che i benefici ottenuti fossero sfruttati in questa importante fase. Il raffreddamento della miscela permette di aumentare gli anticipi di accensione e quindi avere sia un maggior margine alla detonazione, sia un aumento di lavoro indicato. L’acqua però, comportandosi da inerte, inibisce la propagazione della fiamma, generando combustioni molto lunghe, che influiscono negativamente sulle temperature di scarico.

Sviluppo di un modello matematico per il controllo della massa iniettata da un iniettore GDI benzina ad alta pressione

Una delle principali sfide odierne è la volontà di ridurre l’impatto ambientale, causato dalle attività umane, riducendo le emissioni inquinanti. Per questo motivo, negli ultimi anni, i requisiti di omologazione dei motori a combustione interna sono diventati sempre più selettivi, evidenziando la necessità di utilizzare nuove e più avanzate tecnologie. Tra le possibili alternative, le nuove tecnologie che forniscono i risultati più promettenti sono le cosiddette Low Temperature Combustions (LTC). Una di esse è la Gasoline Compression Ignition (GCI) che è caratterizzata da una combustione mediante il processo di auto-accensione di un carburante tipo benzina ed è in grado di ottenere un’elevata efficienza con ridotte emissioni inquinanti. Per poter controllare correttamente una combustione GCI, è necessario realizzare un pattern di iniezioni consecutive al fine di raggiungere le condizioni termodinamiche nel cilindro per garantire l’auto-accensione della benzina. I principali problemi dovuti alla realizzazione di un’iniezione multipla sono la generazione di onde di alta pressione nel condotto di iniezione e, nel caso di iniettori Gasoline Direct Injection (GDI) solenoidali, la magnetizzazione residua dei coil dello stesso. Sia le onde di pressione che la magnetizzazione residua comportano una variazione di massa iniettata rispetto al valore previsto. In questo elaborato è presentato un modello matematico realizzato per compensare le variazioni di massa che avvengono durante un pattern di due iniezioni consecutive in un iniettore GDI benzina ad alta pressione. Con tale modello, è possibile correggere i parametri che caratterizzano le iniezioni per introdurre il quantitativo desiderato di benzina indipendentemente dal pattern selezionato.

Tecnologie per l'implementazione dell'iniezione diretta di benzina in motori ad accensione comandata

In questo elaborato sono stati analizzati i vantaggi di un motore benzina GDI rispetto ad un motore PFI, studiando in particolar modo le tecnologie per la formazione della miscela omogenea e stratificata, le configurazioni spray-guided, wall-guided e air-guided della camera di combustione, i principali iniettori utilizzati e le loro caratteristiche. Inoltre è stato eseguito un approfondimento sui parametri che influenzano maggiormente l'emissione di inquinanti come la fasatura delle valvole, la posizione dell'iniettore e l'iniezione multipla, cercando di ottimizzarli in funzione delle nuove normative europee relative alle emissioni per i motori benzina. Infine è stata verificata l'efficienza dell'applicazione del filtro antiparticolato per motori benzina ad iniezione diretta (GPF).

Modellistica di accensione per candele ad arco elettrico in motori a combustione interna alternativi

Nel panorama mondiale di contenimento delle emissioni inquinanti in atmosfera é divenuto sempre più importante limitare la parte derivante dai motori a combustione interna: l'utilizzo di motori GDI a carica stratificata e di ricircolo dei gas di scarico (EGR) sono esempi di tecnologie pensate proprio in tale ottica. Sia la presenza di un ambiente magro che di EGR nel cilindro, come anche l'aumento della pressione nel cilindro per l'incremento della pressione di sovralimentazione o del rapporto di compressione, hanno lo svantaggio di limitare la velocità di combustione e rendere più sfavorevoli le condizioni di accensione della miscela; in questo scenario diviene di fondamentale importanza il miglioramento dei sistemi di accensione, la creazione di modelli volti a simularli e la comprensione dei fenomeni che ne stanno alla base. Il seguente lavoro di tesi si inserisce proprio in questo contesto, indagando le varie fasi di cui si compone il fenomeno dell'accensione e le relazioni che legano le variabili di interesse fisico, verificate sulla base di evidenze sperimentali. Successivamente vengono analizzati i principali modelli d'accensione che sono stati proposti e implementati in codici computazionali fluidodinamici; l'analisi mette in luce le differenze, i punti di forza e le semplificazioni introdotte in ognuno di essi, in modo da poterli valutare criticamente. La suddetta analisi é anche utile per introdurre il modello frutto del lavoro del gruppo di ricerca dell'Università di Bologna; ci si concentra particolarmente su quest'ultimo poiché un obiettivo di questo lavoro di tesi é stato proprio l'implementazione e l'utilizzo del modello in un codice fluidodinamico tridimensionale quale CONVERGE CFD. L'implementazione é stata poi validata attraverso simulazioni su una geometria reale di un motore a combustione interna ad elevate prestazioni, confrontando i risultati ottenuti con il nuovo modello rispetto ai dati sperimentali sulla combustione.

Validazione di metodologie di simulazione dell’impatto a parete di spray di combustibile iniettati ad alta pressione

Il presente lavoro di tesi, svolto in collaborazione con una azienda del settore automotive, tratta lo studio di impatto di sprays combustibili su pareti calde adottando un approccio numerico CFD-3D. Viene effettuata la validazione di alcuni tra i più utilizzati modelli di interazione goccia-parete implementati nel software commerciale STAR-CD. Lo scopo principale del lavoro svolto è quello di indirizzare il lettore verso una corretta implementazione della simulazione di uno spray impattante, comprendere pregi e limiti dei modelli applicati e fornire dei criteri per effettuare la scelta tra uno di essi in funzione di condizioni di interesse motoristico.

Validazione di modelli per la simulazione del film di combustibile liquido a parete in motori ad accensione comandata

Le normative antinquinamento sempre più stringenti in termini di emissioni prodotte da un MCI hanno reso necessario lo studio e lo sviluppo di modelli predittivi in grado quindi di simulare tutto ciò che avviene all’interno della camera di combustione; allo scopo di ottimizzare quello che è un prodotto industriale e che pertanto va venduto. Il presente elaborato di tesi si è quindi incentrato sull’impatto che uno spray di combustibile, iniettato ad alta pressione, ha su pareti calde e fredde, analizzando tutto ciò che concerne l’eventuale sviluppo di wall-film prodotto come la relativa massa, area, spessore e raffreddamento della parete per via della propria interazione con il film a parete. Sono stati prima di tutto studiati i fenomeni fisici in atto e successivamente analizzati i modelli implementati nel codice di calcolo commerciale utilizzato STAR-CD, in particolare il modello di boiling, il modulo 1D-CHT ed il modello di impatto Bai-ONERA; il tutto facendo riferimento a esperimenti, già condotti, presenti in letteratura.

Valutazione della applicazione del ciclo Miller a motori a benzina ad iniezione diretta ad alta potenza specifica

Negli ultimi decenni nuove e sempre più restrittive normative antiinquinamento son state introdotte nei paesi maggiormente industrializzati dettando un aumento degli sforzi progettuali imposti all’industria automobilistica per cercare di contenere l’impatto ambientale esercitato dai motori a combustione interna. E’ evidente quindi l’importanza di possedere una profonda conoscenza dei fenomeni fisici e chimici che influenzano i processi di combustione così come avere a disposizione modelli quanto più accurati per la loro corretta rappresentazione tramite CFD. Per i motori ad accensione comandata gli studi si sono focalizzati sulla ricerca dell’efficienza evitando di incorrere in rischi di detonazione. Numerose sono le tecnologie che permettono di assolvere alle funzioni richieste, tra le più affermate vi sono i sistemi a fasatura variabile, in particolare le strategie che prendono il nome di ciclo Miller. Tale sistema, implementabile facilmente senza l’utilizzo di alcun sistema aggiuntivo, permette di ridurre sensibilmente temperature e pressioni in camera. Il seguente lavoro di tesi studierà, attraverso simulazione numerica tridimensionale condotta con software CONVERGE®, gli aspetti fisici e fluidodinamici indotti dalle diverse strategie REF, EIVC e LIVC applicate ad un motore GDI con tecnologia downsizing e turbocharging (modellato in ambiente CAD, tramite PTC CREO®). Successivamente, allo stesso motore, saranno apportate modifiche progettuali con lo scopo di comprendere in che modo un aumento di un punto del rapporto di compressione, che equivale a spostarsi verso zone a prestazioni più elevate, impatti sull’entità di pressione, temperatura e comportamento fluidodinamico e fisico a pari condizioni operative e di alzata. L’analisi ed il confronto con gli altri casi sancirà se questa nuova configurazione possa essere accettabile o rischiosa ai fini della detonazione.