Modellistica della combustione in motori a combustione interna

CFDATA10

Docenti

Prof. Fabio BOZZA, Università di NAPOLI 
Ing. Daniela SIANO, Istituto Motori CNR Napoli

Descrizione introduttiva

Il problema dell'impatto ambientale ed acustico dei sistemi di conversione dell'energia è particolarmente sentito nel settore dell'autotrazione, sia per l'ampia diffusione dei sistemi di trasporto dotati di motori a combustione interna, sia perché tali fonti di inquinamento sono per lo più concentrate in ambienti urbani. La riduzione delle sostanze nocive emesse allo scarico dei veicoli, ormai oggetto di normative internazionali sempre più stringenti, è fondamentale ai fini del controllo della qualità dell’aria. La riduzione del rumore emesso, oltre che necessaria per assicurare la vivibilità di luoghi ad elevata concentrazione di traffico, è un obiettivo da perseguire anche in relazione al comfort del conducente e dei passeggeri all’interno dell’abitacolo.
Tra le strategie orientate alla definizione di sistemi di propulsione a minimo impatto ambientale, la simulazione numerica è destinata a ricoprire un ruolo dominante, soprattutto laddove la competitività dei prodotti e dei servizi deve essere garantita a monte del loro processo di sviluppo. In particolare, la simulazione numerica è di grande aiuto per comprendere i dettagli del processo di combustione degli idrocarburi, principale responsabile sia della formazione delle sostanze nocive emesse allo scarico che dell’emissione acustica.
Le analisi a calcolo in ambito motoristico orientate al processo produttivo possono essere effettuate a diversi livelli di approssimazione: in fase di progettazione di un motore si possono utilizzare sia analisi fluidodinamiche tridimensionali, allo scopo di verificare ed ottimizzare forme e dimensioni di elementi come la camera di combustione o gli iniettori, sia analisi di tipo monodimensionale per la definizione dei sistemi di aspirazione e scarico; in fase di impostazione del motore si possono compiere valutazioni di massima per verificare gli obiettivi di prestazione del progetto, basandosi su dati sperimentali raccolti in alcune condizioni di funzionamento; infine, durante lo sviluppo sperimentale del motore, le analisi a calcolo possono essere dedicate al rapid prototyping.

Obiettivi

Obiettivo del corso è quello di fornire le conoscenze di base e gli strumenti metodologici utili ad affrontare e risolvere problemi di fluidodinamica, combustione ed acustica di interesse motoristico. Le nozioni fornite e gli esempi proposti hanno lo scopo di mettere in luce quelli che sono gli elementi di maggior importanza nella progettazione tecnologicamente avanzata dei sistemi di conversione dell'energia utilizzati per la trazione stradale, e nell’ottimizzazione di tali sistemi per quel che riguarda l’ottenimento di buone prestazioni di potenza, ed, allo stesso tempo, di ridotte emissioni inquinanti ed acustiche.
Il corso sarà finalizzato ad evidenziare i principali aspetti legati alla simulazione mono-dimensionale e multidimensionale dei processi termo-fluidodinamici tipici dei motori a combustione interna ed all’analisi vibroacustica di alcuni componenti (interazione fluido-struttura). Poiché i problemi in oggetto possono essere analizzati con un differente grado di approssimazione per quel che riguarda la definizione della griglia di calcolo, degli schemi numerici e dei modelli fisici in uso, si fornirà una panoramica delle scelte ottimali e delle possibilità offerte dai codici di calcolo oggi presenti sul mercato. Si metteranno in luce gli aspetti legati al carattere instazionario, multicomponente, turbolento e reagente dei flussi in esame, ed alla eventuale coesistenza delle fasi gassosa e liquida del combustibile utilizzato. Si forniranno inoltre elementi di base di acustica e si presenteranno opportune metodologie volte ad individuare i legami esistenti tra le strategie di iniezione di combustibile, lo sviluppo del processo di combustione ed il rumore prodotto dal processo di combustione stesso.
La parte iniziale del corso sarà dedicata alla definizione delle diverse finalità della simulazione numerica applicata allo studio dei sistemi di propulsione, ovvero: analisi monodimensionale del sistema di proulsione completo, cioè comprensivo della camera di combustione e dei condotti di aspirazione e scarico; analisi tridimensionale di tipo puramente fluidodinamico, dedicata all'ottimizzazione di particolari specifici; analisi tridimensionale della combustione; analisi del ciclo di pressione ai fini della predizione del rumore di combustione; studio di sorgenti di rumore di tipo puramente gasdinamico.
Si presenteranno esempi di applicazione delle varie tecniche di analisi numerica su motori Diesel e motori a benzina, e particolare attenzione verrà posta nel descrivere i processi di validazione dei codici in uso, effettuati sulla base di dati acquisiti su motori funzionanti al banco.

Conteuti

Introduzione al corso

• Sistemi di conversione dell'energia - considerazioni di carattere generale e ruolo della simulazione numerica.
• Motori alternativi - aspetti termofluidodinamici del funzionamento dei motori a combustione interna ad accensione comandata e ad accensione per compressione.
• Richiami di acustica, le fonti di rumore di un MCI.

Cenni sulla simulazione numerica monodimensionale

• Analisi del flusso monodimensionale nei condotti di aspirazione e scarico.
• Predizione del rumore di natura gasdinamica.
• Modelli di combustione “a zone” per motori ad accensione comandata.

Simulazione numerica multidimensionale dei processi in camera di combustione.

• Griglie di calcolo. Ottimizzazione preliminare.
• Sistemi monofase e sistemi bifase.
• Modellistica della turbolenza in mezzi reagenti.

Simulazione di motori a combustione interna ad accensione per compressione.

• Iniezione ad alta pressione. Caratterizzazione degli iniettori e strategie di iniezione.
• Modellistica degli spray.
• Modelli di combustione.
• Formazione di inquinanti.
• Modalità di riduzione del particolato carbonioso e degli ossidi di azoto.

Simulazione di motori a combustione interna ad accensione comandata.

• Formazione della miscela in motori ad iniezione diretta.
• Modelli di combustione.
• Ottimizzazione della propagazione del fronte di fiamma.
• Modalità di riduzione degli inquinanti e dei consumi mediante sistemi a fasatura variabile.

Previsione del rumore di combustione in motori ad accensione per compressione e ad accensione comandata a partire dall’analisi del ciclo di pressione e analisi del rumore gasdinamico.

• Influenza delle strategie di iniezione in motori ad accensione per compressione.
• Influenza della strategia di accensione in motori ad accensione comandata Twin-Spark.
• Metodologie numeriche applicate a sistemi di aspirazione e scarico finalizzate al calcolo della Transmission Loss e della potenza radiata.

Validazione e confronto con risultati di prove di motori al banco.

Destinatari

Progettisti di motori a combustione interna che vogliano orientarsi all'uso dei metodi di simulazione numerica, comprendendone caratteristiche e potenzialità utili alla pratica progettuale.
Utenti di codici di calcolo commerciali, che intendano approfondire alcuni aspetti termo-fluidodinamici dei processi che hanno luogo in camera di combustione.

Prerequisiti

Data la natura applicativa del corso 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 matematica e 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 slides utilizzate durante le lezioni