Riassunto analitico
In questo progetto si vuole effettuare il downsizing di un motore avvalendosi della simulazione CFD-1D, in particolare utilizzando GT-POWER un software della Gamma Technologies dedicato alla simulazione dei motori a combustione interna. Il motore di partenza, di cui vengono forniti i dati relativi alle prove al banco ed il modello di simulazione, è un V8 twin turbo con le seguenti caratteristiche: • Alesaggio x Corsa = 86.5 x 80.8 mm • Rapporto di compressione = 9.4 • Cilindrata totale = 3799 cc • Albero a gomiti con manovelle disposte a croce (ordine degli scoppi asimmetrico) Il downsizing che si vuole effettuare ha lo scopo di ridurre cilindrata totale e numero di cilindri, passando ad un’architettura V6, mantenendo le prestazioni del motore di partenza. Per far ciò si introduce un compressore volumetrico alimentato da un motore elettrico ed un sistema di attuazione delle valvole full VVA per l’implementazione del ciclo Miller, che permette di aumentare il grado di sovralimentazione a parità di pressione in camera. Nello sviluppo del progetto si sceglie inoltre di rispettare i seguenti vincoli: • Temperatura minima di uscita intercooler 40°C, ottenibile grazie ad un intercooler ad acqua • Massima pressione ammissibile in camera 120 bar • Circa stessa temperatura massima di combustione • Circa stessa temperatura dei gas di scarico in ingresso turbina Inoltre verranno studiate due varianti del problema.
Variante A Motore V6 twin turbo con compressore volumetrico elettrico e ciclo Miller, alesaggio originario 86.5 mm, corsa maggiorata fino a 86.5 mm, stessi turbo-gruppi ma con un intercooler più efficiente (del tipo aria-acqua). Per raggiungere il target di coppia del motore originario si agisce in questo modo: • Ai medio-alti regimi viene semplicemente aumentata la pressione di sovralimentazione in quanto il compressore originario presenta del margine in termini di pressure ratio. Infatti, nei motori ad accensione comandata con turbocompressore e valvola waste-gate, ai medio-alti regimi si interviene sulla valvola per evitare l’aumento di pressure ratio e il raggiungimento di un’eccessiva pressione di sovralimentazione. Adottando però il ciclo Miller si ha un aumento della massima pressione di sovralimentazione sopportabile dal motore, e si può quindi spostare il punto di lavoro nella mappa del compressore a pressure ratio maggiori.
• Ai bassi regimi si utilizza il grado di sovralimentazione offerto dal compressore volumetrico per raggiungere il target di coppia. Questo perché ai bassi regimi non si ha modo di aumentare il pressure ratio offerto dal turbo-gruppo, essendo i punti di lavoro a ridosso della linea di surge o stallo. Inoltre il compressore volumetrico elettrico deve anche garantire la stessa velocità di risposta nei transitori, in questo caso il target è quello di garantire lo stesso time-to-torque del motore originario.
Variante B Motore V6 a turbo singolo (layout HOT-V) con compressore volumetrico elettrico e ciclo Miller, alesaggio originario 86.5 mm, corsa maggiorata fino a 86.5 mm, intercooler più efficiente. Si adotta la stessa strategia della VARIANTE A per raggiungere i due target di coppia e time-to-torque.
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Abstract
The purpose of this project is to downsize an engine using CFD-1D simulation, in particular using the software of Gamma Technologies GT-POWER, dedicated to the simulation of internal combustion engines.
The starting engine, of which the bench test data and the simulation model are provided, is a twin turbo V8 with the following characteristics:
• Bore x stroke = 86.5 x 80.8 mm
• Compression ratio = 9.4
• Total displacement = 3799 cc
• Crossplane crankshaft
The downsizing to be carried out has the aim of reducing the total displacement and the number of cylinders, by switching to a V6 architecture, keeping the performance of the starting engine. To do this, a volumetric compressor powered by an electric motor and a full VVA valve actuation system for the implementation of the Miller cycle are introduced.
In the development of the project, the following constraints must be respected:
• Minimum intercooler outlet temperature 40 ° C
• Maximum allowable combustion pressure 120 bar
• Approximately the same maximum combustion temperature
• Approximately the same temperature of the exhaust gas at the turbine inlet
Two variants of the problem will be studied.
Variant A
Twin turbo V6 engine with electrically driven volumetric compressor and Miller cycle, original bore 86.5 mm, stroke increased up to 86.5 mm, same turbochargers but with a more efficient intercooler (air-water type).
To reach the torque target of the original engine, act in this way:
• At medium to high engine speeds, the boost pressure is simply increased because the original compressor presents a margin in terms of pressure ratio. In fact, in spark ignition engines with turbocharger and waste-gate valve, the valve is operated at medium-high speeds to avoid the increase in pressure ratio and the achievement of excessive boost pressure. By adopting the Miller cycle, however, there is an increase in the maximum boost pressure that the engine can bear, and therefore the operating point can be moved in the compressor map to higher pressure ratios.
• At low engine speeds, the pressure ratio offered by the volumetric compressor is used to reach the torque target. At low engine speeds there is no way to increase the pressure ratio offered by the turbochargers, as the working points are close to the surge line.
In addition, the volumetric compressor must also guarantee the same response speed in the transients, in this case the target is to guarantee the same time-to-torque as the original motor.
Variant B
Single turbo V6 engine (HOT-V layout) with electrically driven volumetric compressor and Miller cycle, original bore 86.5 mm, increased stroke up to 86.5 mm, more efficient intercooler.
The same strategy as in VARIANT A is adopted to achieve the two targets of torque and time-to-torque.
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