Analisi Termo-Fluidodinamiche di ICE per propulsori ibridi ad alte prestazioni ed efficienza termodinamica

Il powertrain ibrido in studio per l’attività di ricerca è quello dell’attuale Power Unit F1, come definito dal regolamento FIA. Dal 2014, i motori F1 hanno cambiato nome in “power unit” e sono diventati 1.6 litri V6 sovralimentati con turbocompressore e sistemi di recupero energia maggiorati. Possono arrivare fino a 15000rpm e la portata carburante è limitata. Sono iniezione diretta (nel cilindro), con pressione di alimentazione benzina limitata a 500bar. Nel 2014 i Team avevano solo cinque power unit/macchina/stagione ed ognuna doveva percorrere 4000km. Nel 2018 le power unit sono limitate a tre/macchina/stagione e quindi ognuna deve percorrere 7000km. Nel 2013 c’era il V8 2.4litri con iniezione indiretta. Nel 2013 i motori erano in grado di erogare 750CV @ 18000rpm. I team in quell’anno avevano otto motori/machina/stagione e le unità motrici dovevano percorrere 2000km. I nuovi regolamenti hanno l’intento di rendere la F1 più “road relevant” e trasformare l’incremento di prestazioni in un aumento di efficienza, grazie alla limitazione della portata carburante a 100kg/h e inoltre la quantità massima di carburante imbarcabile in vettura è 100kg. Quindi l’efficienza gioca veramente un ruolo chiave per l’incremento prestazione. Lo scopo della ricerca è di valutare i principali temi termo-fluidodinamici da affrontare per la progettazione e fase di concept di un motore a combustione interna ad alta efficienza che fa parte di un powertrain ibrido. I principali temi trattati sono: collettore aspirazione e lunghezza trombette, profili camme per scenari differenti, moti interno cilindro e turbolenza e sistemi in grado di incrementare la velocità ed efficienza di combustione, studi di crevices pistone ed infine bilancio termico/calore disperso e miglioramento relativi modelli. Il metodo utilizzato per affrontare i singoli argomenti cambia a seconda del livello di dettaglio richiesto e la necessità di modellazione. Può partire dalla semplice teoria, per passare alla cfd 1D, cfd 3D transitoria per arrivare alla simulazione del processo di combustione con modellazione della detonazione. Quando possibile, i risultati della analisi sono confrontati e correlati a dati sperimentali, per chiudere il loop completo dalla fase di concetto, disegno e simulazione all’esperimento finale. Questo è facile per argomenti come lunghezza trombette aspirazione e profili camme, è molto meno scontato e fattibile per esempio per la valutazione delle basse scale di turbolenza interno cilindro, per la quale possono essere effettuate solo misure indirette o invasive e quindi non conseguite. I risultati, per ogni argomento trattato, sono mostrati nella tesi di ricerca, ma spesso le scelte finali non sono rese esplicite per motivi di riservatezza. Lo scopo è comunque di mostrare e discutere i temi tecnici, andare a fondo nei dettagli e lasciare al lettore l’opportunità di scegliere e capire quali sono le opzioni migliori. L’intento generale è stato quello di valutare e riportare in un testo di ricerca (quando possibile) le differenti soluzioni tecniche analizzate nell’affrontare la progettazione e calcolo di un nuovo concetto di motore a combustione interna per un propulsore ibrido ad alte prestazioni ed efficienza termodinamica, in uso in F1 dal 2014.