Riassunto analitico
Negli ultimi anni si è assistito all’entrata in vigore di sempre più restrittive normative antinquinamento, che hanno introdotto una graduale e sempre più drastica riduzione dei livelli di inquinanti “classici” (monossido di carbonio, idrocarburi incombusti, ossidi di azoto e particolato) emessi dai motori a combustione interna. Si è assistito inoltre all’introduzione di limiti sul livello di anidride carbonica emessa dai veicoli circolanti. Mentre esistono diverse tecnologie in grado di contenere e ridurre i livelli di inquinati “classici”, non risulta possibile ridurre i livelli di anidride carbonica allo scarico se non tramite una riduzione dei consumi e un aumento dell’efficienza complessiva dei motori. In quest’ottica è da inquadrare la pratica dell’engine downsizing che consiste appunto nella riduzione della cilindrata complessiva del motore (e quindi dei consumi) senza tuttavia alterarne le prestazioni. Nella maggior parte dei veicoli stradali e specie in quelli di bassa gamma, la riduzione della cilindrata è ad oggi ottenuta tramite una riduzione del numero di cilindri a pari cilindrata unitaria. L’incremento delle prestazioni specifiche si traduce in maggiori carichi termici e meccanici sulle componenti del motore e nei motori a ciclo Otto (oggetto dell’analisi) nel maggior rischio di insorgenza di combustioni anomale. Quest’ultimo aspetto risulta di importanza cruciale in quanto è proprio l’insorgenza di combustioni anomale a limitare superiormente le prestazioni specifiche ottenibili da un moderno motore GDI. Nel lavoro svolto, che si è concentrato su un motore di alta gamma per applicazioni sportive, è stata analizzata una diversa strategia di downsizing basata non sulla riduzione del numero di cilindri, ma della cilindrata unitaria: in particolare, ciò è stato ottenuto tramite una riduzione del solo alesaggio a pari corsa rispetto al motore di riferimento. Tale strategia, confermata dalle analisi preliminari svolte, risulta conveniente in termini di tendenza alla detonazione a causa della riduzione del percorso che il fronte di fiamma deve coprire prima di raggiungere le zone periferiche della camera di combustione maggiormente soggette a fenomeni di autoaccensione. L’obiettivo è stato quello di realizzare un motore virtuale con le stesse caratteristiche prestazionali del motore di riferimento, un V8 GDI di cilindrata complessiva di 3800 cm^3 rispettando i vincoli progettuali di pari o inferiore tendenza alla detonazione del motore di riferimento. Al fine di stabilire quale fosse la strategia migliore di downsizing sono state realizzate analisi preliminari atte a valutare eventuali vantaggi in termini di tendenza alla detonazione della: Riduzione della cilindrata unitaria a pari rapporto alesaggio corsa e della riduzione del rapporto alesaggio corsa a pari cilindrata. L’attività è stata svolta tramite simulazioni CFD 3-D e 1-D: in particolare, le simulazioni monodimensionali sono state utilizzate per ricavare le condizioni al contorno da applicare alla geometria 3D in termini di pressioni e temperature tempo varianti sui condotti di scarico e aspirazione. A partire dal modello 1D calibrato su dati sperimentali del motore di riferimento, è stato generato il modello del motore downsized geometricamente scalato nella sola parte entro testa e completamente rivisto per quel che riguarda il sistema di sovralimentazione. Il progetto di tale sistema è stato trattato in un parallelo lavoro di tesi. La prima parte del lavoro ha riguardato la calibrazione del modello di calcolo 3-D del motore di riferimento del quale si aveva disponibilità di dati sperimentali in particolare i regimi analizzati sono stati quelli di coppia e potenza massima, per poi confrontare tali risultati con quelli relativi al motore downsized.
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Abstract
Currently made SI engines are undergoing a massive downsizing, while preserving, or even increasing, target brake power and low-end torque. Most of the engine downsizing, especially for high-end market engines, is now achieved through the reduction of the number of cylinders for constant unit displacement, with high boosting to counterbalance the reduction in engine size. The need for higher specific performance, resulting in higher thermal and mechanical loads on the engine components, seriously increases the risk of abnormal combustion onset and thermo-mechanical failures. The thesis work presents a preliminary numerical study aiming at addressing potential benefits of the reduction of the engine bore to achieve a proper downsizing target while preserving the engine knock safety margin. In particular two different sets of simulation are presents to evaluate the effects of the unit displacement reduction at constant bore/stroke and the reduction of bore/stroke at constant unit displacement. The results of these analysis are used to asses what is the best strategy for the downsizing of a currently made V8 GDI turbocharged engine for sport car application. Bore is reduced by 11% at constant stroke, thus achieving a reduction of slightly more than 21% on the engine displacement. In order to achieve the same peak power target, both engine boost and spark advance are increased until the knock safety margin of the original engine is met. 3-D CFD tools, accurately calibrated for the original engine, are used to address the engine design and operating parameters.
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