• analisi cfd
• analisi elementi finiti
• analisi interazione fluido-struttura
• analisi termica
• iniezione diretta
• motori a combustione interna
• ottimizzazione
• scambio termico

Il seguente lavoro di tesi è composto da due parti distinte in cui vengono affrontate differenti problematiche relative ai motori a combustione interna con l'ausilio di simulazioni di fluidodinamica computazionale (CFD).
Nella prima parte è stato analizzato il comportamento fluidodinamico di due iniettori multi-holes (xl31.25 e xl31.20) sviluppati presso l'azienda Continental Automotive S.p.A. al fine di predire l'influenza della geometria dello spray e della legge di iniezione sulle emissioni di inquinanti di un motore ad accensione comandata (4 cilindri di 1742 cm3 di cilindrata). Il primo passo è stato quello di modellare gli iniettori all'interno di una camera a volume costante mediante l'utilizzo del software CFD, AVL-Fire. Al fine di una corretta modellazione dell'iniettore è stata preliminarmente analizzata la fluidodinamica interna dello stesso per stimare l'influenza della pressione di iniezione (100, 200 e 300 bar) e del rapporto lunghezza/diametro del foro di iniezione. I risultati relativi alla geometria e alla penetrazione dello spray così ottenuti sono stati successivamente confrontati con i dati ricavati sperimentalmente ottenendo un errore massimo relativo inferiore allo 0.1%, dimostrando una corretta modellazione dell'iniettore.
In seguito, i due iniettori sono stati implementati all'interno del modello CFD del motore. Al fine di predire l’influenza della legge di iniezione sulle emissioni di inquinanti sono state condotte diverse prove mantenendo costante i giri del motore (1800 giri/min) variando l'angolo di inizio iniezione e implementando due iniezioni distinte cambiando la quantità di combustibile iniettato per ognuna di queste. Le soluzioni mostrano che l'iniettore xl31.25 con legge di iniezione che prevede una sola iniezione e angolo di inizio iniezione posticipato di 20° rispetto al riferimento garantisce la minore emissione di NOx e particolato.
Nella seconda parte della tesi è stata condotta un’analisi per valutare l'influenza degli scambi termici sull’andamento delle temperature delle pareti interne del motore HCPC (Homogeneus Charge Progressive Combustion) per applicazioni leggere, utilizzando materiali realmente disponibili con diversi coefficienti di conduzione termica, coibentazione inclusa, e della stima di come la variazione degli scambi termici influisca sulle prestazioni ed emissioni del motore.
Il primo passo è stato quindi quello di implementare un’analisi di interazione fluido-struttura (FSI) modellando il motore HCPC all’interno di un codice CFD, in cui si schematizza il fluido evoluente, e di un codice FE, in cui si rappresenta la struttura del motore. I due modelli sono stati accoppiati in modo bidirezionale utilizzando come paramentro di convergenza il flusso termico tra fluido e struttura in funzione dell’angolo di manovella. Sono state condotte diverse prove: inizialmente è stata identificata la variazione di temperatura massima sulle superfici interne del motore a pieno carico al variare della veocità di rotazione del motore (2000, 4000, 5000, 6000 giri/min), della pressione di sovralimentazione (1, 2, 3 bar) e del materiale utilizzato per testata e basamento (Alluminio AISI 7Cu4Mg,Acciaio AISI 4130, Ghisa ASTM A842) mantenendo costante la temperatura sulle superfici del fluido di raffreddamento pari a 100°C. Il pistone combustore è stato realizzato in acciaio 42CrMo4 mentre il pistone compressore in alluminio MAHLE 124. Questa prima serie di simulazioni ha evidenziato come le temperature raggiunte sulle superfici interne del basamento e della testata a elevati numeri di giri e pressioni di sovralimentazione non siano compatibili con l’utilizzo di materiali quali alluminio (Al- AISI 7Cu4Mg) e acciai semidolci (AISI 4130), generalmente utilizati per questi componenti, pertanto ulteriori analisi sono state condotte solo sul motore realizzato in ghisa. Al fine di ridurre ulteriormente le temperature sulle superfici interne è stata implementata una nuova geometria del sistema di raffreddamento che ha portato ad una riduzione del 26% della temperatura massima delle pareti del cilindro combustore. I risultati ottenuti sono stati in seguito confrontati con quelli di un motore Diesel convenzionale di uguale cilindrata constatatando come a bassi numeri di giri (2000 giri/min) il combustore del motore HCPC presenti caratteristiche dal punto di vista termico paragonabili al motore Diesel mentre all’aumentare della velocità di rotazione (4000 giri/min) questo presenti temperature nettamente superiori.
Nella seconda serie di prove è stata valutata l'influenza degli scambi termici sulle prestazioni e sulle emissioni. A tal fine è stato modellato un motore adiabatico ideale, flusso termico attraverso le superfici nullo, un motore coibentato mediante Nitruro di Silicio e un motore coibentato mediante uno strato di Ossido di Allumina spesso 0.3 mm. I risultati hanno dimostrato che l’adiabatizzazione delle pareti del motore, conduce ad un aumento del rendimento indicato, che così arriva a superare il 55% nel caso del motore adiabatico ideale. Per quanto riguarda le emissioni, la coibentazione conduce ad un deciso aumento di quelle di NOX e ad una forte riduzione di quelle di particolato. Si è riscontrato infine che la coibentazione delle pareti nel motore HCPC non comporta una riduzione del coefficiente di riempimento, come accade nei motori diesel, e pertanto conduce ad una maggiore potenza erogabile.