Riassunto analitico
La presente tesi tratta l'analisi monodimensionale, attraverso il software GT-Power, di strategie innovative di engine downsizing, ovvero di quella pratica sempre più diffusa fra le case automobilistiche di adottare motori a cilindrata ridotta, ma con prestazioni pari a quelle di motori più grandi.
In particolare, nella presente tesi è stato analizzato il downsizing di un motore di una nota azienda, che produce auto ad alte prestazioni. Il downsizing è stato realizzato mediante riduzione dell’alesaggio, in modo da ottenere una camera di combustione abbastanza compatta, che permetta al fronte di fiamma di raggiungere gli “end-gas” in un tempo minore a quello di autoaccensione della carica, così da ridurre il rischio di knock.
In sintesi, i vari step che sono stati eseguiti si possono così riassumere:
1)analisi del modello originale;
2)donwsizing del motore, scalando di un opportuno fattore le dimensioni dei condotti entro testa, dell’alesaggio e delle valvole;
3)accordatura fluidodinamica a 3 picchi del condotto fuori testa di aspirazione;
4)ottimizzazione della legge di alzata delle valvole sia di aspirazione che di scarico, adottando un sistema VVT (Valve Variable Timing) per entrambi;
5)realizzazione di una strategia di sovralimentazione a due stadi interrefrigerati, con un turbo di alta pressione per bancata e uno di bassa in comune fra queste.
In seguito al downsizing, la cilindrata è stata ridotta del 21% e, attraverso la sovralimentazione, è stato possibile ottenere le prestazioni di target.
L’aver deciso di sfruttare gli effetti gasdinamici nei condotti di aspirazione, è un fattore che va contro la tendenza attualmente diffusa fra le case produttrici di automobili, le quali tendono ad adottare condotti molto corti. Nel presente lavoro, invece, sono stati dimensionati opportunamente i condotti fuori testa, in modo che nella traccia di pressione risultino 3 picchi; così facendo, è stato possibile recuperare almeno in parte la riduzione di cilindrata e sono state adottate pressioni di sovralimentazione più contenute, rispetto al caso senza accordatura fluidodinamica.
Lo scopo dell’ottimizzazione della legge di alzata delle valvole è quello di riuscire a sfruttare al meglio gli effetti gasdinamici, soprattutto il cosiddetto “effetto RAM”, in modo da agevolare il ricambio della carica e il riempimento del cilindro, ottenendo anche una sovralimentazione naturale.
Nelle prime simulazioni è stato adottato lo stesso gruppo di sovralimentazione monostadio del motore originale, ma si è visto che ai bassi regimi risultava un forte gap prestazionale, proprio perché il turbo non era adeguato al nuovo motore. Così si è pensato di adottare una strategia a doppio stadio triturbo, in cui il compressore di alta pressione può essere bypassato agli alti regimi.
Due problemi riscontrati durante lo sviluppo del downsizing, sono la tendenza al knock e le temperature elevate all’ingresso della turbina. Entrambi sono stati cruciali per la determinazione della dosatura ottimale della miscela ai vari regimi, delle pressioni di sovralimentazione e per la scelta degli anticipi di accensione, per i quali è stato fondamentale l’ausilio delle simulazioni 3D, eseguite con il software Star-cd della CD-adapco.
Lo scopo finale della presente tesi è proprio quello di riuscire a realizzare un motore più piccolo dell’originale, ma ugualmente prestazionale, con il vantaggio di ridurre i consumi specifici, il peso, i costi, le emissioni inquinanti,e, allo stesso tempo, di ottenere maggiore prontezza di risposta nei transitori.
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Abstract
This thesis is about the analysis of innovative engine downsizing strategies, by means of 1D simulation software GT-Power. Engine downsizing is a more and more common technique, which consists in the displacement reduction, but obtaining the same performance of bigger engines.
Exactly, the argument of this thesis is the downsizing of an engine of a notorious automotive company, that produces high performance cars. The downsizing has been done by means of bore reduction, so the combustion chamber results quite compact and the flame front reaches the “end-gases” in a minor time than the charge autoignition time; this reduces the knock risk.
The work steps may be summarized in these points:
1)analysis of the original model;
2)engine downsizing, scaling the head ducts, the bore and the valves by means of an appropriate factor;
3)dimensioning of the other intake ducts, to have 3 peaks in the pressure trace;
4)optimization of the intake and exhaust valve lift, with a VVT system;
5)research of the optimal boost strategy, adopting a two-stage intercooled turbocharging with two high pressure turbo for each cylinder bank and a unique low pressure turbo.
After the downsizing, the engine displacement has been reduced of 21% and the target performance has been reached.
The exploitation of gas-dynamical effects is an unusual thing, because the automotive farms use to make very small ducts. Instead, in this work the ducts have been properly dimensioned to have 3 peaks in the pressure trace, so a bit of the displacement reduction has been recovered and the boost pressure are smaller than the case without gas-dynamical effects.
The scope of the valve lift optimization is take advantage of these effects, as the so called RAM effect, to have an efficient scavenging and an high volumetric efficiency, obtaining a boost natural.
In the first simulations the turbocharging system was a one-stage system as the original one, but in the results there was an evident performance gap, because this was inappropriate for the new smaller engine. So it has been replaced by a two-stage turbocharging system, in which the high pressure compressor can be bypassed at the high rpm.
The two most important problems of the downsizing development are the knock tendency and the high inlet temperature of turbine. Both of them have influenced the lambda of the mixture, the boost pressure and the choose of start of combustion, for which the 3D simulations, done by means of the software Star-cd of CD-adapco, have been very important.
The final scope of this thesis is to project an engine smaller than the original, but with the same performance and the advantages of less fuel specific consumption, weight, costs and of reduction of pollutant emission, and, at the same time, a faster transient response.
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