Riassunto analitico
La domanda in continua crescita di motori a combustione interna ad alta efficienza ha posto l'accento sulla progettazione di ogni componente che dovrebbe essere il migliore possibile al fine di ottenere un'elevata efficienza complessiva.
In particolare, la gestione termica del motore, parte dalla gestione termica di tutti i singoli componenti. In questa tesi l'argomento sarà la gestione termica del pistone mediante getti d'olio. La temperatura del pistone dovrebbe essere la più bassa possibile per garantire che esso possa sopportare i carichi a cui è sottoposto senza rompersi.
La progettazione dei getti di raffreddamento del pistone, solitamente, è stata studiata principalmente mediante simulazioni fluidodinamiche con poche correlazioni empiriche adottate nelle fasi di progettazione iniziale per ottenere una visione qualitativa del processo. La CFD è uno strumento molto potente che può garantire risultati accurati ma non è decisamente veloce e potrebbe facilmente diventare onerosa in termini di tempo computazionale nelle prime fasi della progettazione.
In questa dissertazione viene sviluppato uno strumento di progettazione più veloce, robusto e sofisticato. Attraverso MATLAB vengono applicate correlazioni empiriche direttamente sulla superficie inferiore del pistone dal punto di impatto del getto d’olio agli altri punti mediante una distanza geodetica approssimata dal primo. Queste correlazioni sono funzione del numero di Reynolds, del numero di Prandtl, del numero di Nusselt, della distanza del getto dalla superficie, della velocità e dell'inclinazione del getto d’olio. Il punto di impatto non è costante per i getti inclinati e si muove con la posizione del pistone; la velocità relativa e l'angolo di impatto che sono considerati in ciascuna posizione del pistone. Infine, questi risultati vengono utilizzati per ottenere il profilo di temperatura del pistone mediante un'analisi termica agli elementi finiti.
Per ottenere il massimo da questo tool, è stato scritto un codice di ottimizzazione che, tramite un algoritmo evolutivo, può esplorare lo spazio di progettazione ed ottenere la migliore configurazione possibile del getto che minimizzi la temperatura del pistone. Ciò è ottenuto molto rapidamente grazie all'elevata parallelizzazione di questo codice che permette di eseguire centinaia di simulazioni in poche ore ottenendo risultati rapidi che altrimenti richiederebbero giorni.
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Abstract
The continuously increasing demand of high efficiency internal combustion engines has put stress, literally, on the design of each component that should be as good as possible in order to achieve a high overall efficiency.
In particular, the thermal management of the engine, starts from the thermal management of all its singular components. In this dissertation the topic will be the thermal management of the piston by means of oil jets. The piston temperature should be as low as possible in order to ensure that it can withstand the loads at which it is subjected without breaking apart.
The design of the piston cooling jets usually, has been studied mainly by means of computational fluid dynamics simulations with a few empirical correlations adopted in the early design phase to get a qualitative view of the process. CFD is a very powerful tool which can guarantee accurate results, but it is not definitely fast and could easily become very time consuming in the early design phase.
In this dissertation a more fast, robust, and sophisticated design tool is derived. Through MATLAB, empirical correlations are applied directly on the lower surface of the piston from the impingement point to the other points by means of an approximated geodesic distance from the first. These correlations are function of the Reynolds number, Prandtl number, Nusselt number, distance of the jet from the surface, oil jet velocity and inclination. The impact point is not constant for inclined jets and moves together with the piston position also, the relative velocity and impact angle are considered at each piston position. Finally, these results are used to obtain the temperature profile of the piston by means of a thermal finite element analysis.
In order to get the maximum from this, an optimization code has been written which, by means of an evolutionary algorithm, can explore the design space, and obtain the best possible jet configuration which minimizes the temperature of the piston. This is accomplished very rapidly due to the high parallelization of this code which could perform hundreds of simulations in a matter of hours thus obtaining fast results that otherwise would require days.
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