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I processi fluidodinamici presenti all'interno di un motore a combustione interna sono estremamente complessi poiché caratterizzati da transizioni di fase, dalla coesistenza di più fasi e/o componenti differenti e dalla presenza di reazioni chimiche.
Non tutti i fenomeni precedentemente descritti interessano contemporaneamente i diversi fluidi presenti nelle varie regioni di un propulsore, tuttavia il loro comportamento è reciprocamente influenzato: il calore che si sviluppa in camera di combustione durante l'evoluzione delle reazioni di ossido - riduzione tra comburente e combustibile, ad esempio, può riscaldare il refrigerante fino a provocare la comparsa di fenomeni di transizione di fase quali cavitazione o ebollizione. Allo stesso modo, la progressione del processo di combustione è fortemente influenzata dall'interazione del combustibile (liquido o gassoso) con il comburente (solitamente aria) durante le fasi di aspirazione e compressione.
Quando si utilizzano strumenti di analisi al calcolatore per caratterizzare singole parti di motori a combustione interna o processi isolati che avvengono all'interno dei motori stessi è, quindi, di fondamentale importanza disporre di modelli previsionali affidabili e riuscire a ben identificare le condizioni al contorno del problema, così da tenere in opportuna considerazione gli effetti dovuti a fenomeni non direttamente rappresentati. Questo obiettivo può essere raggiunto attraverso l'impiego integrato di strumenti di calcolo differenti, in modo da favorire lo scambio di informazioni tra analisi "globali" dell'intero sistema propulsore ed analisi "locali" di maggior dettaglio.
L’attività svolta nel corso del Dottorato di Ricerca e riportata in questo elaborato ha avuto come obiettivo proprio la messa a punto di metodologie di analisi integrate al fine di ottenere una caratterizzazione corretta e dettagliata dello scambio termico nei motori a combustione interna, allo scopo di riprodurre il campo termico al loro interno, sia con riferimento al refrigerante che ai componenti metallici. Ciò al fine di disporre di uno strumento predittivo da utilizzare in fase preliminare di progettazione e/o di successiva ottimizzazione o “failure analysis”. E’ ben noto, infatti, che la resistenza meccanica dei materiali si riduce progressivamente all’aumentare della temperatura a cui essi si trovano. Risulta perciò di fondamentale importanza la corretta definizione della distribuzione delle temperature, in particolare nei componenti maggiormente sollecitati dal punto di vista termomeccanico. Per raggiungere tale obiettivo si è fatto largo impiego di software di simulazione fluidodinamica, sia monodimensionale sia tridimensionale, estremamente diffusi in ambito industriale, utilizzati sia in modalità “stand alone” sia combinata. L’attività ha messo in luce le potenzialità dell’analisi CFD, il cui grande vantaggio risiede nella possibilità di ottenere una quantità di informazioni ben superiore e ben più dettagliata rispetto a quanto ricavabile da prove sperimentali, con costi fortemente inferiori.
L’intero dottorato di ricerca ha riguardato quindi la messa a punto di una metodologia per l’analisi dello scambio termico coniugato (CHT – Conjugate Heat Transfer Analises) in componenti meccanici, con particolare riferimento ai motori a combustione interna.
Sono stati presi in esame differenti propulsori sia ad accensione per compressione che ad accensione per scintilla e, in quest’ultimo caso, sia GDI che PFI, così da creare un set di prove consistente per dimostrare la flessibilità della metodologia rispetto alla tipologia di indagine da condurre e la sua indipendenza dalla tecnologia di iniezione presente sul motore.

Fluid dynamics processes inside internal combustion engines are extremely complex since they are characterized by phase transition, by coexistence of different phases and/or components and by chemical reactions. Not all the aforementioned phenomena simultaneously affect the fluids involved in the many engine processes, components and sub-systems, but the behavior of each of the fluids can be mutually influenced by the others: the thermal power generated in the combustion chamber during the evolution of oxidation/reduction reactions between the oxidizer and the fuel, for example, can heat up the coolant until phase transition phenomena such as boiling or cavitation occur. On the other hand, the evolution of the combustion process is deeply influenced by the interaction between the fuel (either liquid or gaseous) and the oxidizer (which is usually air) during intake and compression strokes. If computation tools are used to characterize single engine components or isolated processes that occur inside the engine itself is therefore necessary both to have the availability of reliable provisional models and to well identify the boundary conditions of the problem, in order to take into account the effects to “environmental” (i.e. not represented) phenomena. This aim can be achieved through the integrated use of different modeling tools, in order to promote information exchange between “global” analyses of the entire engine system and more detailed “local” analyses. The research activity carried out during the PhD course and reported in this work aims at developing methodologies based on integrated analyses in order to correctly characterize the heat transfer inside internal combustion engines; this to better reproduce the thermal field inside both the coolant and the metal components, and to develop a predictive tool to be used in the preliminary design phase and/or during the subsequent optimization or “failure analysis” procedures. As well known, the mechanical behavior of materials decays as temperature increases: a correct estimation of temperature distribution is therefore fundamental especially for those components that are more stressed under a thermo mechanical point of view. This target is achieved through the massive use of computational fluid dynamics software for one dimensional and three dimensional analyses: they are extremely widespread in the industrial practice and they have been used both in “stand alone” and “coupled” mode. The activity highlights the potentials of CFD analyses, whose strength lies in the availability of a wider and more detailed amount of data than that provided by experimental tests, moreover with lower costs. The entire PhD course focused the optimization of a methodology for the conjugate heat transfer analysis (CHT) in mechanical components, with particular reference to internal combustion engines. Several engines were analyzed and are reported, both compression ignition (CI) and spark ignition (SI) engines, and for the last ones both GDI and PFI engines, in order to create a consistent test set to demonstrate the flexibility of the methodology respect to the analyses and its independence from the technology adopted on the engine.