Applicazione di un modello zero-dimensionale per la simulazione della detonazione

L’elaborato affronta la tematica della detonazione nel motore a combustione interna, al fine di individuare un modello che sia in grado di riprodurre il fenomeno in modo accurato, con la prospettiva di un uso a scopo predittivo. A tal proposito vengono presentati modelli basati su svariate metodologie: in particolar modo, accanto ai metodi basati sulle grandezze direttamente o indirettamente misurabili del motore ad accensione comandata, vengono presentati un metodo basato sull’applicazione delle reti neurali, una metodologia di controllo basata sull’approccio True Digital Control, e due metodi che si avvalgono di procedimenti di tipo puramente statistico (metodo dei minimi quadrati e metodo Monte Carlo) per ricavare alcune delle grandezze fondamentali per il calcolo della detonazione. Successivamente, dopo una breve parentesi sulle simulazioni di tipo 3D, vengono introdotti i modelli fisici zero-dimensionali. Uno di questi, basato su un indice (definito dal simbolo Kn) capace di dare una valutazione quantitativa del fenomeno, viene applicato ad un insieme di dati sperimentali provenienti dai test al banco di un motore Ducati 1200. I risultati dell’analisi vengono confrontati con le evidenze sperimentali, sottolineando la buona rispondenza delle simulazioni ad essi e di conseguenza la potenzialità di tali metodi, computazionalmente non onerosi e di rapida applicazione.

Implementazione e validazione di un modello di accensione per motori a combustione interna

Nell'ambito dei motori ad accensione comandata, la comprensione del processo di accensione e delle prime fasi di sviluppo del kernel è di primaria importanza per lo studio dell'intero processo di combustione, dal momento che questi determinano lo sviluppo successivo del fronte di fiamma. Dal punto di vista fisico, l'accensione coinvolge un vasto numero di fenomeni di natura molto complessa, come processi di ionizzazione e passaggio di corrente nei gas: molti di questi avvengono con tempi caratteristici che ne impediscono la simulazione tramite le attuali tecniche CFD. Si rende pertanto necessario sviluppare modelli semplificati che possano descrivere correttamente il fenomeno, a fronte di tempi di calcolo brevi. In quest'ottica, il presente lavoro di tesi punta a fornire una descrizione accurata degli aspetti fisici dell'accensione, cercando di metterne in evidenza gli aspetti principali e le criticità. A questa prima parte di carattere prettamente teorico, segue la presentazione del modello di accensione sviluppato presso il DIN dell'Università di Bologna dal Prof. Bianche e dall'Ing. Falfari e la relativa implementazione tramite il nuovo codice CONVERGE CFD: la validazione è infine condotta riproducendo un caso test ben noto il letteratura, che mostrerà un buon accordo tra valori numerici e sperimentali a conferma della validità del modello.

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.

Determinazione di tabelle e correlazioni di velocità laminare di fiamma per motori a combustione interna

Negli ultimi anni le preoccupazioni a causa dell’inquinamento ambientale sono risultate sempre maggiori, questo ha portato un sempre più crescente interesse per l’ottimizzazione nella progettazione dei motori a combustione interna per avere un aumento di potenza cercando di utilizzare meno carburante. Sempre più di frequente, al fine di studiare la combustione in modo accurato e ricavarne modelli analitici coerenti con la realtà, ci si rivolge alla simulazione numerica; Tutti i modelli di combustione utilizzati dai solutori CFD richiedono la conoscenza della velocità laminare di fiamma, questa gioca un ruolo molto importante nei motori a combustione interna così come in altre applicazioni, come il calcolo dei moti turbolenti. Il calcolo della velocità laminare può avvenire attraverso modelli di cinetica chimica dettagliata a fronte di un peso computazionale non indifferente oppure utilizzando meccanismi cinetici ridotti con conseguente perdita di accuratezza. L’obiettivo di questa tesi è lo studio della velocità di fiamma laminare al variare delle principali caratteristiche della miscela focalizzandosi sull’effetto di pressione, temperatura e di eventuali inerti (Acqua ed Egr). Attraverso la cinetica chimica dettagliata e relativo calcolo delle velocità delle reazioni di ossidazione sono state definite delle “look up tables” il più possibile dettagliate (nonostante il grande peso computazionale) al fine di avere uno strumento facilmente implementabile in solutori CFD. Inoltre, a partire dai dati acquisiti, si è passati all’analisi delle precedenti correlazioni cercando, nei limiti, di migliorarne e proporne altre per non dover ricorrere all’interpolazione delle mappe.

Metodologie open source per la simulazione numerica di banchi di flussaggio per motori a combustione interna

Valutazione di software open source per la simulazione di banchi di flussaggio stazionari. Analisi dei risultati e confronto con dati sperimentali e con dati ottenuti da un software commerciale. Il toolbox usato è OpenFOAM.

Selezione di trasduttori per la misura di portata fluidi nei motori a combustione interna

Si vuole dimostrare la fattibilità di realizzazione di una serie di misuratori di portata fluidi da applicare principalmente per le misure di portata dei fluidi di un motore in prova al banco. Queste portate di interesse riguardano: liquido di raffreddamento, tipicamente acqua a una temperatura prossima ai 100°C, olio lubrificante, tipicamente ad una temperatura di 150°C, aria di aspirazione, BlowBy, aria che filtra dalle fasce elastiche e dalla camera di combustione passa in coppa e quindi presenta goccioline e vapori d'olio, e possibilmente EGR. La prima fase consiste nel valutare ciò che offre il mercato per rendersi conto di quali sono i livelli di prestazione di misura dei sensori commerciali e il loro prezzo. Dunque, oltre alla consultazione di datasheet, segue una richiesta di preventivi ai fornitori di tali prodotti. Conclusa la fasce di analisi di mercato sopra descritta si avvia la fase di design del misuratore. Dopo l'analisi il principio di misura ottimale risulta quello ultrasonico. In particolare è opportuno effettuare una prima distinzione fra misuratori per liquidi e per gas, i quali naturalmente presenteranno differenze geometriche sia per la compatibilità con l'impianto nel quale verranno montati sia per le caratteristiche del fluido di cui interessa la misura. Disegnata a CAD la geometria i due tubi vengono stampati in 3D, dopodichè vengono montati i trasduttori per la generazione e la ricezione degli ultrasuoni. Si effettuano le prove di laboratorio, per liquidi e poi per gas, nel primo caso misurando la portata acqua messa in circolo da una pompa, nel secondo caso misurando la portata aria di un Ducati al banco motori. I dati acquisiti da varie prove vengono poi elaborati tramite Matlab, e si ricavano conclusioni in termini di rumore, accuratezza, ripetibilità ed infine di conferma che è fattibile realizzarli ad un costo contenuto ma che per riuscirci è necessario molto più sviluppo e ottimizzazione.

Caratterizzazione mediante flussaggio stazionario CFD di condotti di motori a combustione interna 'SACI'

In questo lavoro di tesi si è voluta creare una metodologia solida per la generazione di geome-trie banchi di flussaggio stazionario, sia per Tumble che per Swirl, a varie alzate valvole (in questo caso solo aspirazione, ma estendibile anche a quelle di scarico), avvalendosi del soft-ware SALOME; seguite da creazione griglia di calcolo e infine simulazione in ambiente Open-FOAM. Per prima cosa si è importata la geometria creata in un CAD esterno e importata in SALOME in formato STEP. A seguito si sono posizionate le valvole all’alzata da simulare, insieme alla creazione del falso cilindro, diversificato tra il caso Tumble e Swirl. Si è importato il file del banco di flussaggio, in formato STL, in snappyHexMesh e generata la griglia; questa è stata utilizzata per la simulazione in ambiente OpenFOAM, utilizzando l’utility rhoPorousSimpleFoam. Infine, si sono estratti i dati per il calcolo di grandezze utili, coppia di Tumble/Swirl e portata in massa, oltre alla creazione di immagini di visualizzazione campi di moto, utilizzando il post processore ParaView. In parallelo si è sviluppata l’automatizzazione delle varie fasi servendosi sia di script scritti in python che in bash.

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.

Regolazione della pompa elettrica del carburante a bassa pressione: Analisi dell'impatto sul consumo specifico di un motore a combustione interna

The trend of CO2 emission limit and fuel saving due to the oil price increase and are important drivers for engines development. The engine auxiliary devices electrification (g.e fuel pump) is a way to reduce the energy consumption, because it becomes possible to control them depending on engine operation point, this kid of management can be applied to the electric low-pressure pump. Usually the fuel delivery is performed at the maximum flow rate and a pressure regulator discharges the exceeding fuel amount inside the rail (gasoline engine) or upstream of the high pressure pump (common rail diesel engine). In this work it has been investigated the fuel saving achievable through a proper control of the electric fuel pump on a small common rail diesel engine, and a control architecture is proposed. The aim was to maximize the fuel economy without any impact on pressure control in the engine transient conditions. L'andamento del limite di emissioni di CO2 e il risparmio di carburante dovuto all'aumento del prezzo del petrolio sono fattori importanti per lo sviluppo dei motori. I dispositivi ausiliari, come la pompa del carburante, sono un modo per ridurre il consumo energetico, in quanto diventa possibile controllarli a seconda del punto di funzionamento del motore, questo tipo di gestione può essere applicato alla pompa elettrica a bassa pressione. Solitamente la portata del combustibile viene eseguita alla portata massima e un regolatore di pressione si scarica la quantità eccedente di carburante all'interno del rail (motore a benzina) o a monte della pompa a alta pressione (common rail motore diesel). In questo lavoro è stato studiato il risparmio di combustibile ottenibile attraverso un adeguato controllo della pompa elettrica del carburante su un piccolo motore diesel common rail e viene proposta una architettura di controllo. Lo scopo è quello di massimizzare il risparmio di carburante, senza alcun impatto sul controllo della pressione nelle condizioni transitorie del motore.

Modello 0-dimensionale di motore a combustione interna e veicolo per applicazioni real-time

La presenta tesi ha come obiettivo la modellazione, tramite il software Matlab Simulink, di un motore a combustione interna ad accensione comandata nelle sue parti fondamentali ed il relativo veicolo. Le parti modellate inerenti al gruppo termico sono quelle di produzione coppia, il sistema di aspirazione con un modello statico e uno dinamico ed, infine, il sistema di scarico. Per quanto riguarda la parte veicolo si implementa la dinamica della driveline e quella longitudinale del mezzo stesso. Il simulatore deve essere costituito da un layout modulare e ha come ipotesi fondamentale quella di poter lavorare in real-time, quindi si utilizza un modello zero-dimensionale e con valori costanti all'interno di un singolo ciclo motore. In conclusione, viene mostrato come implementare il modello in un sistema SIL per poterne testare il funzionamento in tempo reale e visualizzare i risultati da esso prodotti.

Studio del danno indotto dalla detonazione e della temperatura media di pistoni in lega di alluminio e sviluppo di un modello analitico per il calcolo in Real-Time della temperatura dei gas di scarico

In campo motoristico, negli ultimi anni, la ricerca si è orientata allo studio approfondito dell'efficienza di combustione, individuandone in primo luogo i principali aspetti limitanti. Primo tra tutti la detonazione che, essendo dannosa per i componenti del motore (e in particolare quelli della camera di combustione), è adesso al centro di molti studi. L'obiettivo è di conoscerla a fondo in modo da poterne arginare gli effetti. Questa tesi si colloca in un ampio progetto volto a perseguire tale risultato. Infatti, lo studio del danno che viene indotto sui componenti della camera di combustione (i pistoni in particolare), della sua morfologia, della localizzazione prevalente e i principali parametri ai quali esso risulta correlabile, fanno parte dell'attività sperimentale esposta in questo lavoro. Essa si concentra inoltre sul degrado termico della lega dei pistoni a seguito di prove a banco sul motore, che si pongono l'obiettivo di provocare elevati livelli di detonazione e su eventuali benefici che derivano dal poterne accettare episodi di entità incipiente. A tale proposito, viene esposto e validato un modello di temperatura dei gas di scarico Real Time, tramite il quale è possibile calcolare la temperatura di essi una volta noto il punto motore.

Controllo della combustione nei motori alimentati a idrogeno

L’idrogeno utilizzato nei motori a combustione interna potrebbe rappresentare il ponte in grado di fornire tempo e spazio per la completa transizione all’elettrico. L’idrogeno ha tutte le carte in regola per assumere un ruolo di primaria importanza nel contesto odierno: infatti, miscelandosi con l’aria e affrontando la combustione, elimina tutte le emissioni di CO, CO2 e HC, lasciando solo le emissioni di NOx. In più permetterebbe di utilizzare una tecnologia già conosciuta e studiata, cioè il motore a combustione interna. In questo elaborato sono trattate le caratteristiche dell’idrogeno come combustibile e confrontate le due possibili configurazioni per un motore a idrogeno con accensione comandata (DI e PFI), arrivando così ad affrontare l’aspetto principale dell’elaborato, cioè il controllo della combustione in questo tipo di motore.