Modellistica del Processo di Combustione e Detonazione in Motori ad Accensione Comandata: Applicazioni in Ottica Riduzione Consumi e Rumore

CFDATA13

Docenti

Prof. Fabio BOZZA, Università di NAPOLI Federico II
Ing. Daniela SIANO, Istituto Motori del CNR di NAPOLI

Descrizione introduttiva

La continua necessità di ottimizzazione dei propulsori per autotrazione dal punto di vista delle prestazioni e dei consumi, nonché delle emissioni inquinanti e acustiche, richiede la messa a punto di metodologie di calibrazione motore e tecniche di simulazione sempre più affidabili e allo stesso tempo di rapida esecuzione.
Per quanto concerne la simulazione, un buon compromesso tra accuratezza dei risultati numerici e rapidità di calcolo è oggi garantita dai modelli fluidodinamici monodimensionali ampiamente diffusi nell’industria motoristica (GT-Power, Wave, Boost, etc.). A differenza di quanto si verifica nei più complessi modelli 3D, tale approccio modellistico, se corredato da modelli di combustione affidabili e predittivi, consente di schematizzare l’intero motore dalla bocca di aspirazione al terminale di scarico e di prevedere con buona accuratezza i parametri prestazionali del propulsore (coppia, potenza, consumo specifico) in tutto il suo campo operativo. Tale tipologia modellistica ben si presta inoltre ad essere accoppiata a codici di ottimizzazione numerica (ad esempio ModeFRONTIER), al fine di pervenire a tecniche di progetto ottimizzato o per lo sviluppo di strategie ottimali di regolazione e controllo (scelta dell’angolo di anticipo all’accensione, regolazione della farfalla, dei sistemi di fasatura variabile VVT o VVA, etc.). In tale ottica questa tipologia di modelli può fornire utili informazioni, determinando una pre-calibrazione numerica del propulsore, da affinarsi in una seconda fase, al banco prova motore. Infine tali analisi forniscono le condizioni iniziali e al contorno per l’ulteriore approfondimento delle indagini a calcolo per le analisi fluidodinamiche tridimensionali o per quelle vibro-acustiche in problemi di NVH del propulsore e del veicolo.

Obiettivi e contenuti

Obiettivo del corso è quello di fornire le conoscenze di base e gli strumenti metodologici utili ad affrontare e risolvere problemi di fluidodinamica, combustione e impatto acustico di interesse motoristico. Si evidenzieranno le principali potenzialità e limitazioni dei modelli di simulazione 1D di tipo commerciale nella progettazione e sviluppo dei moderni propulsori per autotrazione. Alcune delle limitazioni presenti saranno superate grazie allo sviluppo di opportuni modelli di combustione normale e anomala (detonazione), sempre più stringenti nei motori ad accensione comandata di piccola cilindrata sovralimentati (downsizing).
Si forniranno a tal fine elementi di base di acustica, combustione, turbolenza e cinetica chimica e si descriveranno i legami esistenti tra la fase di riempimento del cilindro e la successiva fase di combustione (Giorno 1).
Per quanto concerne lo studio dei fenomeni di detonazione, particolare enfasi sarà data alla descrizione di tecniche tradizionali e innovative di “knock detection” di tipo sperimentale. Si presenteranno poi alcuni esempi di applicazione delle tecniche modellistiche descritte, con riferimento a motori a fasatura variabile, dotati di un circuito EGR o  Twin-Spark (Giorno 2).
Si analizzeranno inoltre ulteriori procedure per la previsione dell’impatto acustico di moderni propulsori,  basata su un calcolo accoppiato 1D-3D. Il Corso sarà infine chiuso dalla presentazione di tecniche numeriche di calibrazione motore, mediante impiego di modelli 1D e codici di ottimizzazione (Giorno 3).

Programma

Giorno 1 – Mattina (4 ore) – Obiettivi del Corso e Fondamenti Preliminari
(Prof. Bozza/Ing. Siano)

• Introduzione e obiettivi del Corso - Il ruolo della simulazione termo-fluidodinamica
• Le fonti di rumore nei MCI: rumore di combustione; rumore gasdinamico
•  Approcci modellistici: zero-dimensionale, mono-dimensionale, tri-dimensionale
• Sviluppo, descrizione e utilizzo di un Modello termodinamico diretto e inverso
• Limiti dell’approccio 0D – Modello a due zone – Richiami di combustione - Velocità di reazione – Velocità di propagazione del fronte di fiamma – Velocità di espansione dei gas combusti

Giorno 1 – Pomeriggio (4 ore) – Combustione, Turbolenza e Detonazione nei Motori ad Accensione Comandata (Prof. Bozza)

• Geometria frattale - Modello di combustione frattale – Influenza della turbolenza sulla velocità di combustione
• Modello di turbolenza 0D (modello K-k) – Analisi 3D per la taratura e validazione del modello
• Taratura del Modello di combustione frattale: confronto tra i risultati numerici e sperimentali
• Modello di detonazione e dispersione ciclica: determinazione teorica dell’angolo di anticipo al limite di detonazione

Giorno 2 – Mattina (4 ore) – Tecniche sperimentali di Knock Detection
(Ing. Siano)

• Determinazione sperimentale dell’angolo di anticipo al limite di detonazione
• Tecniche dirette basate sul rilievo dei cicli di pressione in camera (MAPO, IMPO, DKI)
• Tecniche indirette basate sul rilievo di segnali accelerometrici  (Modelli Autoregressivi, Tecniche Wavelet)

Giorno 2 – Pomeriggio (4 ore) – Applicazioni dei Modelli 1D
(Prof. Bozza)

• Sistemi a fasatura variabile VVT e VVA e scelta della fasatura ottimale per la riduzione dei consumi
• Impiego di un circuito EGR per ridurre la propensione al knock di motori turbo
• Potenzialità e limiti dei motori GDI e Twin-Spark

Giorno 3 – Mattina (4 ore) – Previsione Dell’Impatto Acustico del Propulsore 
(Ing. Siano)

• Rumore di combustione
• Definizione, Misure sperimentale  e calcolo di Transmission Loss di componenti dei sistemi di aspirazione e scarico
• Impiego di risuonatori. Interazione fluido-struttura

Giorno 3 – Pomeriggio (4 ore) – Esempi di Calcolo Integrato 1D-3D. Calibrazione Ottimale  
(Ing. Siano/Prof. Bozza)

• Previsione del rumore gasdinamico con condizioni al contorno dedotte da modello 1D
• Trade-off Consumo-Rumore in motori VVA
• Accoppiamento con codici di ottimizzazione per la definizione di una calibrazione numerica del propulsore
  
  

L’orario del corso è il seguente: dalle 09.00 alle 17.30 con pausa pranzo alle 13.30

Destinatari

Progettisti di motori a combustione interna che vogliano orientarsi all'uso dei metodi di simulazione numerica 1D, comprendendone caratteristiche, limiti e potenzialità. Utenti di codici di calcolo commerciali, che intendano approfondire alcuni aspetti termo-fluidodinamici dei processi che hanno luogo in camera di combustione. Personale coinvolto in problematiche acustiche e di NVH. Calibratori motore interessati a meglio comprendere le interazioni tra i diversi sottosistemi che costituiscono un moderno motore a combustione interna.

Prerequisiti

Non sono richieste conoscenze specifiche nel campo dell'analisi numerica. Il corso è rivolto a laureati in ingegneria meccanica o chimica, in fisica o altre discipline scientifiche, ma anche ai diplomati tecnici, qualora essi possiedano una sufficiente cultura motoristica e matematico-fisica di base. Pur non trattando nel dettaglio i modelli su cui sono basati i codici di simulazione in uso, se ne daranno comunque riferimenti bibliografici, per chi volesse effettuare ulteriori approfondimenti.

Materiale didattico

Ad ogni partecipante al corso verranno fornite delle dispense/note relative agli argomenti trattati, assieme a copie delle presentazioni in Powerpoint utilizzate durante le lezioni.