Investigazione numerica della dispersione ciclica in motori ad accensione comandata

Nel presente lavoro, l’obiettivo principale è stato quello di investigare la natura stocastica dei campi di moto che si verificano all’interno dei motori ad accensione comandata, cercando di determinare quelle che possono essere le cause dell’insorgenza del fenomeno della dispersione ciclica. La sua riduzione è di particolare importanza in ottica emissioni e quindi miglioramento del consumo specifico, specialmente nei cicli omologativi. Per questo motivo, la maggior parte delle case automobilistiche si sta muovendo in questa direzione per lo sviluppo dei propri motori sovralimentati. Una riduzione della dispersione ciclica, per dato consumo specifico, consente di aumentare la potenza specifica del motore stesso, in seguito alla diminuzione della deviazione standard sul “burn delay”, consentendo anticipi di accensione più spinti per data soglia di detonazione. Due motori completamente diversi sono stati investigati mediante l’utilizzo di un codice CFD, cercando di quantificare, capire, predire e soprattutto controllare la dispersione ciclica sia in condizioni di motore trascinato che in condizioni di reale funzionamento. Il primo motore analizzato fa parte della categoria dei motori PFI all’interno dell’“ Engine Combustion Network”: si tratta del “Transparent Combustion Chamber engine” (http://www.sandia.gov/ecn/engines/engineFlows/TCCEngine.php). L’obiettivo principale del progetto ( che ha comportatao un periodo di internship della durata di 9 mesi presso il Propulsion Engineering Research Center della Pennsylvania State University, PA, USA) è stato quello di confrontare due diversi modelli di turbolenza di sub-grid, che differiscono per la descrizione delle componenti energetiche al di sotto della dimensione di griglia, all’interno della sola integrazione spaziale Large Eddy Simulation (LES). I modelli di turbolenza scelti rappresentano gli estremi in termini di complessità di modellazione, andando dal più semplice, Smagorinsky, al più complesso modello non viscoso denominato Dynamic Structure Model. Partendo dalle condizioni di motore trascinato, sono stati calcolati 50 cicli LES per modello di turbolenza e sono stati confrontati con risultati sperimentali PIV disponibili in due sezioni di controllo della camera di combustione. Le attività con motore in “firing” hanno avuto inizio verso la fine dell’attività perciò verranno mostrati solamente i risultati preliminari. La seconda architettura è rappresentata da un motore sovralimentato GDI ad alta potenza specifica, dove il fenomeno della dispersione ciclica è stato investigato in condizioni di alti giri ed alto carico. Si è partiti dal confronto di base tra simulazioni multi-ciclo RANS e LES, e sulle ultime, si è cercato di determinare la differenza tra l’utilizzo di “boundaries” derivanti dai trasduttori di pressione veloci nei condotti o quelle dal calcolo mono-dimensionale GT-POWER del motore stesso. La costruzione della griglia di calcolo ha richiesto particolare attenzione per il raggiungimento del miglior compromesso tra il livello energetico direttamente risolto dalla griglia ed il tempo computazionale di risoluzione richiesto dal singolo ciclo. Per la determinazione di una possibile gerarchia tra tutte le variabili di interesse monitorate durante la simulazione, più di 25 cicli consecutivi sono stati calcolati al fine di avere una minima rappresentazione statista del fenomeno. In aggiunta, i risultati sono stati analizzati mediante tecnica POD (proper Orthogonal Decomposition). Infine, come piccola digressione dai motori a combustione interna, seppur riguardante l’instazionarietà dei flussi, durante il percorso si è anche analizzato mediante tecnica LES un problema di acustica riguardante il compressore centrifugo del precedente motore ad alte prestazioni studiato.