Ottimizzazione di performance ed emissioni di un moderno motore ad accensione comandata grazie all’uso di una metodologia CFD di combustione e knock validata su base sperimentale

I crescenti limiti legislativi sulle emissioni ed il consumo di carburante dei moderni motori da autotrazione hanno portato i ricercatori alla necessità di prevedere con precisione la combustione e gli eventi correlati nei motori a benzina. In particolare, il knock è uno dei fattori più limitanti per i moderni motori ad accensione comandata, limitando fortemente i miglioramenti in termini di performance ed efficienza. Le moderne simulazioni CFD stanno diventando uno strumento accessibile per supportare la pratica sperimentale dalla progettazione iniziale alla fase di calibrazione dettagliata. A tal fine, i modelli di combustione e di knock in ambiente RANS offrono un buon compromesso tra tempo di calcolo e raggiungimento del risultato che consente di simulare la propagazione media del fronte di fiamma, nonché la tendenza "media" alla detonazione dei gas di scarico. Tuttavia, il livello di fiducia nell'uso degli strumenti di CFD si basa fortemente sulla possibilità di convalidare modelli e metodologie contro misurazioni sperimentali. In questo lavoro sono disponibili tre serie di visualizzazioni di fiamma risolte al grado di angolo motore in un ciclo misurate su un motore di ricerca mono-cilindrico ad accensione comandata e iniezione diretta con cilindrata 400 cm3 e accesso ottico. I tre set di dati fanno riferimento a tre diversi anticipi di accensione, da condizioni non detonanti a condizioni di knock intenso. Su questa base, viene eseguita un'analisi numerica per riprodurre la crescita e la propagazione del kernel di fiamma utilizzando il ben noto modello di combustione ECFM-3Z per tutte le condizioni operative. I risultati CFD sono confrontati in termini di volume intrappolato dal fronte di fiamma e morfologia della fiamma rispetto ai dati sperimentali calcolati su base ciclo. Inoltre, il knock medio viene simulato mediante il modello di Knock UniMORE [1] in termini di posizione e fasatura costruito internamente. L'accordo tra la posizione prevista a calcolo e quella misurata del fronte di fiamma e la posizione di rilevamento della detonazione per le tre diverse condizioni operative conferma la validità dei modelli adottati e dimostra la loro capacità predittiva per la progettazione e l'ottimizzazione del motore. Dopo questa prima fase di correlazione tra risultati numerici e sperimentali, è stato compiuto un ulteriore passo nella modellizzazione della detonazione verso la descrizione fisica del fenomeno. Il knock infatti è uno dei fattori più limitanti per i moderni motori ad accensione comandata per raggiungere obiettivi di efficienza più elevati. La natura statistica del fenomeno di detonazione dei motori ad accensione comandata ostacola la capacità predittiva dei modelli di detonazione RANS basati su quantità medie. A tal fine, un modello di knock statisticamente fondato è stato recentemente sviluppato nell’ambiente RANS e sono stati introdotti miglioramenti in questo studio. Il modello è in grado di dedurre una presunta distribuzione logaritmica dei cicli di detonazione da una singola simulazione RANS mediante equazioni di trasporto per varianze e funzioni di densità di probabilità (PDF) derivate dalle grandezze relative al campo di moto turbolento. Nella seconda parte della tesi viene applicato il modello di knock basato sulla distribuzione di densità di probabilità per simulare il comportamento di knock dell’unità ad accensione comandata di cui alla prima sezione di questo lavoro. La previsione statistica di knock risultante dal modello knock knock presentato viene confrontata con l'evidenza sperimentale per tutte le condizioni investigate. L'accordo tra le distribuzioni di detonazione previste e quelle misurate convalida il modello di knock presentato. Infine, le limitazioni e le possibilità offerte dal modello presentato vengono discusse in modo critico, in particolare in riferimento al significato della predizione del knock in ambiente RANS.