Riassunto analitico
Lo scambio termico è stato ampiamente studiato in passato, a causa della sua importanza nella progettazione meccanica e nei processi ingegneristici. Focalizzandoci sui motori a combustione interna, esso costituisce un fenomeno di primaria importanza, dovuto ai gas caldi nel cilindro che riscaldano i componenti affacciati alla camera di combustione. La sua importanza è ancor più vera per i motori di nuova generazione, caratterizzati da alta potenza specifica e richieste di efficienza termica sempre maggiori. Tuttavia, l’aumento di tale potenza ottenuto grazie a “downsizing” e sovralimentazione è limitato dal rischio di rotture di origine termo-meccanica, a causa delle alte pressioni e temperature (e quindi dell’alto scambio termico). La crescita di carichi termici piò ridurre in maniera significativa la resistenza meccanica dei componenti del motore, riducendo perciò profondamente l’affidabilità di quest’ultimo. Al fine di prevenire cedimenti termo-meccanici, analisi CFD-CHT ed agli elementi finiti possono essere usate per calcolare il campo termico e gli stress termo-meccanici del motore, riducendo tempi e costi di progettazione in maniera assai proficua. A tal fine risulta importante stimare correttamente lo scambio termico tra i gas combusti e la pareti, il quale influenza non solo gli stress termici, ma anche l’efficienza globale del motore e le emissioni inquinanti. Una corretta stima dei carichi termici verso le pareti della camera può essere ottenuta da esperimenti o simulazioni CFD 1D/3D. La potenza termica agente sui componenti affacciati alla camera di combustione non può essere facilmente valutata sperimentalmente. Infatti una valutazione diretta del flusso termico istantaneo richiede l’adozione di sensori complessi, costosi ed intrusivi e le misure possono essere effettuate solo in porzioni limitate dei componenti; per questo motivo, la potenza termica totale dovuta alla combustione deve essere estrapolata sia nello spazio che nel tempo. Al fine di ridurre assunzioni ed incertezze nella stima dell’ammontare e della distribuzione puntuale dei carichi termici agenti sui componenti del motore, le simulazioni CFD possono potenzialmente sostituire le misure sperimentali. In questo panorama, gli strumenti numerici devono garantire la disponibilità di modelli altamente affidabili per ogni fenomeno analizzato. In altre parole un ruolo fondamentale viene giocato dalla capacità del modello CFD interno cilindro di stimare accuratamente il flusso termico dovuto alla combustione, il quale a sua volta dipende fortemente dalla funzione di temperatura adimensionale dello strato limite. Numerosi ricercatori hanno proposto formulazioni per anni, mirate a cogliere il reale flusso termico attraverso le pareti della camera di combustione. Nonostante l’alto numero di modelli di scambio termico che si possono trovare in letteratura, nessuno sembra adeguato per tutte le applicazioni motoristiche: motori ad accensione spontanea e per compressione, alte e basse velocità di rotazione, alti e bassi carichi. Posto ciò, l’obiettivo di questo lavoro di tesi è quello di proporre un modello di scambio termico da usare in simulazioni interno cilindro di motori Diesel e benzina di attuale produzione, funzionanti a medio-alti carichi e regimi di rotazione, al fine di ottenere flussi termici convettivi affidabili agenti sui componenti del motore. La capacità predittiva del modello di scambio termico è doppiamente dimostrata: da un lato la somma totale dei flussi termici di parete ricavata dalle simulazioni è confrontata con quella sperimentale, a sua volta fornita dai bilanci termici sperimentali di motori di corrente produzione. Dall’altro lato il campo termico calcolato (ricavato dalla simulazione CHT e fortemente legato ai flussi termici di parete) viene confrontato con quello sperimentale che risulta dalla termocoppiatura del motore. Tale validazione è eseguita su diversi motori, sia Diesel che benzina.
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Abstract
Heat transfer was widely investigated in the past, due to its importance in engineering design and processes. Focusing on internal combustion engines, it represents a highly impacting phenomenon, and it is mainly due to the hot gases into the cylinder, which heat up components facing the combustion chamber. Its importance is even higher for the new generation of internal combustion engines, which are characterized by high specific power and must meet the highest possible thermal efficiency. The increase of specific power thanks to downsizing and turbocharging is limited by the risk of thermo-mechanical failures, due to high pressure and temperature (and hence heat transfer) levels. The raise of thermal loads can significantly reduce the mechanical resistance of the engine components thus deeply reducing the engine reliability. In order to prevent thermo-mechanical damages, CFD-CHT and FE tools may be used to calculate the thermal field and thermo-mechanical stresses of the engine, reducing proficiently time-to and cost-to market. For this purpose it is fundamental to estimate correctly the gas-to-wall heat transfer, which affects not only the thermal stresses, but also the overall engine efficiency and the exhaust emissions. A correct estimate of the gas-to-wall thermal loads can be derived from either dedicated experiments or 1D/3D CFD simulations. The thermal power acting on the components facing the combustion chamber cannot be experimentally assessed without efforts. In fact, a direct evaluation of the instantaneous heat flux usually requires the adoption of complex, expensive and intrusive sensors and measurements can be performed only in limited portions of the components; the resulting total thermal power due to combustion has therefore to be extrapolated in both space and time. In order to reduce assumptions and uncertainties in the estimation of the amount and pointwise distribution of the thermal loads acting on the engine components, CFD tools may replace experimental measurements. In such promising scenario, numerical tools must guarantee the availability of high fidelity models for each investigated phenomenon. In other words a fundamental role is played by the capability of the CFD in-cylinder model to estimate accurately the wall heat flux due to combustion, which in turn depends strongly on the thermal wall function. Researchers have been proposing formulations for years, aiming at capturing the actual heat flux through the combustion chamber boundaries. Despite the huge number of heat transfer models that can be found in literature, none seems to be suitable for all the engine applications: CI and SI engines, low and high revving speeds, partial and full loads. Given the above, the present work intends to propose a wall heat transfer model to be used in in-cylinder simulations of current production spark-ignition and Diesel engines operated at medium-to-high loads and revving speeds, in order to obtain reliable convective heat fluxes acting on the engine components. The predictive capability of the wall heat transfer model is proved twice: on one hand the calculated global amount of wall heat flux is compared with the experimental one provided by engine thermal surveys. On the other hand the simulated thermal field (provided by the CHT simulation, which in turn depends strictly on the wall heat fluxes) is compared with the experimental one resulting from thermocouple measurements. Such a validation is carried out for different spark-ignition and Diesel engines.
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