Riassunto analitico
La fluidodinamica computazionale (CFD) è una tecnica di calcolo utile allo studio dei fluidi in un oggetto di studio a mezzo di un solutore numerico mediante un determinato set di equazioni: conservazione della massa, conservazione dell’energia e conservazione della quantità di moto.
La CFD ha assunto un ruolo di sempre maggiore rilievo nello sviluppo dei sistemi energetici, in quanto permette di abbattere tempi e costi di sviluppo. La simulazione diventa quindi uno strumento complementare agli esperimenti di laboratorio, al fine di validarne i risultati.
Lo studio condotto nella presente tesi ha lo scopo di confrontare i risultati di una prova sperimentale di warm up del sistema di after-treatment di una vettura ad alte prestazioni con i risultati forniti dall’ambiente numerico. Lo studio è stato condotto grazie all’utilizzo del software Star-CCM+, distribuito da Siemens, nella versione 2020.3. La presente attività di tesi è stata svolta all’interno di LaboratorioRosso del Dipartimento di Ingegneria “Enzo Ferrari” dell’Università di Modena e Reggio Emilia.
Negli ultimi decenni sono stati sviluppati diversi sistemi e dispositivi esterni al motore finalizzati alla riduzione e all’abbattimento delle emissioni inquinanti. Ad oggi, questi dispositivi sono di impiego generalizzato al fine di soddisfare i limiti imposti dalle normative.
Al fine di ridurre i consumi di combustibile e le emissioni di anidride carbonica, una soluzione di comune utilizzo consiste nel downsizing, ovvero la riduzione della cilindrata del propulsore a parità di potenza installata. Il caso in analisi tratta di un motore ad alte prestazioni in cui il concetto di downsizing viene meno. Per questo motivo è necessario studiare in modo approfondito il sistema di scarico, in modo da rientrare nei limiti prestabiliti dalle normative.
Ad oggi, il dispositivo più diffuso per l’abbattimento delle sostanze inquinanti allo scarico è il cosiddetto catalizzatore trivalente. Il reattore catalitico consente di ossidare CO e HC alle basse temperature, inoltre permette la riduzione degli NOx a temperature più elevate. L’efficienza di conversione di questo elemento è però legata alla temperatura e alla velocità dei gas di scarico attraverso la matrice, ossia è legata al tempo di permanenza. Nel transitorio termico all’avviamento del motore è importante l’inerzia termica del convertitore e la sua distanza dal motore. In generale, un ciclo guida comincia con il veicolo condizionato, per questa ragione la fase di warm up del sistema di scarico è di fondamentale importanza per la corretta omologazione del veicolo.
Inizialmente l’attività si è svolta su due fronti: l’analisi dei dati sperimentali e la gestione dell’ambiente CAD; questo ha consentito di correlare il set-up della prova con il set-up in ambito di calcolo. In questa prima fase di lavoro è stato necessario dedicare particolare attenzione alla geometria fornita in modo da poter successivamente analizzare il caso senza effettuare ulteriori modifiche.
Il lavoro si basa sullo studio del sistema di scarico di mezza bancata di un motore V12 ad elevate prestazioni. Nella configurazione simulata, si prevede una condizione di motore spento, per cui a partire dalla geometria originale sono stati rimossi i condotti di scarico che collegano i cilindri al sistema di scarico, in modo da attenersi alla prova sperimentale. Il sistema di scarico in questione presenta un condotto aggiuntivo, all’interno del quale è presente un bruciatore, per introdurre gas riscaldati al fine di portare in temperatura il sistema di after-treatment a valle. Lo scopo di questa configurazione è quello di verificare le prestazioni, in termini di scambio termico, di questo sistema, in assenza di portata dal motore.
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Abstract
Computational Fluid Dynamics (CFD) is a calculation technique that is used to study the fluid motion inside an object by means of a numerical solver using a specific set of equations: conservation of mass, conservation of energy and conservation of momentum.
CFD has taken on an increasingly important role in the development of energy systems, as it allows to reduce development times and costs. The simulation thus becomes a complementary tool to laboratory experiments, in order to validate the results.
The study conducted in this thesis aims to compare the results of an experimental warm up test of the after-treatment system of a high-performance car with the results provided by the numerical environment. The study was conducted with Star-CCM+, a software distributed by Siemens, in the 2020.3 version. This thesis activity was carried out within LaboratorioRosso of the "Enzo Ferrari" Engineering Department of the University of Modena and Reggio Emilia.
In recent decades, various systems and external devices to the engine have been developed to reduce the polluting emissions. To date, these devices are of general use in order to meet the limits imposed by the regulations.
In order to reduce fuel consumption and carbon dioxide emissions, a commonly used solution consists of downsizing, i.e. the reduction of the engine displacement with the same installed power. The case study consists of a high-performance engine in which the concept of downsizing fails. For this reason it is necessary to study the exhaust system in depth, in order to fall within the limits established by the regulations.
To date, the most common device for the reduction of polluting emissions is the so-called Three-Way Catalyst (TWC). The catalytic reactor allows CO and HC to be oxidized at low temperatures, but also allows the reduction of NOx at higher temperatures. However, the conversion efficiency of this element is linked to the temperature and speed of the exhaust gases through the matrix. A cold start is defined as an engine start following a 12 to 36 hours continuous vehicle soak in a constant temperature environment of 20°C to 30°C. When the engine is cold-started there is a warm up phase in which the thermal inertia of the converter and its distance from the engine are essential; for this reason the study of this phase is very important in order to pass the homologation test.
Initially, the activity took place on two fronts: the analysis of experimental data and the management of the CAD environment; this made it possible to correlate the test set-up with the calculation set-up. In this first phase of work it was necessary to pay particular attention to the geometry provided in order to subsequently analyze the case without making further changes.
The work is based on the study of the half-cylinder exhaust system of a high-performance V12 engine. In the simulated configuration, the engine is off, for this reason the exhaust pipes connecting the cylinders to the exhaust system have been removed, in order to comply with the experimental test. The exhaust system has an additional duct, inside which there is a burner, to introduce heated gases in order to bring the downstream after-treatment system to temperature. The purpose of this configuration is to verify the performance, in terms of heat exchange, of this system, in the absence of flow from the engine.
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