Riassunto analitico
Il presente lavoro di tesi ha come obiettivo l’analisi di un sistema di freno motore e implementazione di un ciclo Miller su un motore a combustione interna Diesel nel campo Heavy Duty col fine di diminuire l’impatto delle frenate, date le enormi masse in gioco, sui consumi dei freni e migliorare l’efficienza del motore. Lo studio è stato svolto in collaborazione con l’azienda di power-train italiana Streparava S.p.A. Il propulsore analizzato è il D8K350 di Volvo Trucks, un sei cilindri in linea Diesel 7700 cc, usato su applicazioni di trasporto pesante da Eicher in India. Il sistema di freno motore è un sistema che permette di aumentare l’effetto frenante che ha il motore quando lavora in condizioni di trascinato, ciò è reso possibile da un particolare sistema di attuazione variabile delle valvole (VVA: Variable Valve Action) e dalla presenza di una valvola a farfalla a valle della turbina nel condotto di scarico la cui apertura viene regolata in funzione della pressione massima ammissibile nel collettore di scarico a monte della turbina. In applicazioni Heavy-Duty questo sistema permette di ottenere una coppia negativa all’albero motore che permette di frenare il pesante mezzo alleggerendo il carico che grava sull’impianto frenante. Tale opportunità consente di allungare i tempi di vita delle pastiglie dei freni e quindi consentire un minor numero di interventi di manutenzione in officina oltre che a migliorare la sicurezza delle frenate. Per limitare gli ingombri, le masse già importanti e la complessità del layout, generalmente i motori Heavy-Duty hanno un singolo albero a camme in testa che comanda sia le valvole di aspirazione sia quelle di scarico (sistema SOHC) per ciascun cilindro rendendo difficile l’implementazione di sistemi VVA. Streparava ha realizzato così dei sistemi di attuazione variabile delle valvole adatti alla distribuzione a singolo albero a camme.
Il principale strumento usato per questo studio è la CFD (Computational Fluid Dynamics) monodimensionale, la quale permette di simulare tutti i processi fisici che avvengono in un motore a combustione interna prevedendone il reale comportamento. Le potenzialità offerte da questo strumento sono i tempi di calcolo di gran lunga inferiori rispetto alla CFD tridimensionale, la possibilità di provare diverse configurazioni dello stesso motore e l’opportunità di avere una vasta gamma di informazioni su tutto il propulsore rispetto alla tradizionale prova al banco. Per questi motivi lo strumento della CFD-1D è diventato di normale impiegato nella maggior parte delle aziende motoristiche. Il software utilizzato è GT-Suite realizzato da Gamma Technologies .
La prima parte dell’elaborato si concentra principalmente sul programma CFD-1D impiegato descrivendone la logica e le equazioni alla base per poi passare alla descrizione della modellazione dei fenomeni fisici e la seguente costruzione del modello del motore. Non avendo tutti i dati sperimentali da banco prova del motore in questione, si è modificato un modello di un motore Mahindra con la stessa configurazione del motore Volvo (sei cilindri in linea Diesel con turbina regolata con una valvola di Wastegate) calibrato sui dati sperimentali forniti dal banco prova. Una buona parte del lavoro di calibrazione è stata fatta proprio su quest’ultimo modello, il quale è stato realizzato con l’ausilio di tutti i dati forniti dal banco prova e mediante essi si sono ricostruiti le curve di bruciato, partendo dalle pressioni in camera, i coefficienti di scambio termico e i coefficienti di perdita di pressione nei condotti. Successivamente si è realizzato il modello del D8K350 Volvo tenendo come riferimento la curva di coppia fornita dalla azienda costruttrice. L’ultima parte è la descrizione dell’applicazione pratica dei sistemi precedentemente descritti sui mezzi di trasporto pesanti e la loro modellazione nella CFD-1D.
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