Riassunto analitico
Negli ultimi anni le norme antinquinamento sono diventate sempre più severe e molte case automobilistiche stanno passando da veicoli dotati del solo motore a combustione interna a veicoli ibridi o completamente elettrici. Il mondo del motorsport non è insensibile a questo cambiamento e anche la Formula Student ha dato la sua risposta, creando una competizione per monoposto ibride.
L’Università degli Studi di Modena e Reggio Emilia ha deciso di sviluppare la sua vettura partendo da zero, con lo scopo di gareggiare nella Formula Student nel 2019. Il motore a combustione interna è ancora un punto fermo, ed è stato scelto quello della Ducati 959 Panigale come base dell’unità endotermica del nuovo veicolo. Per mantenere il motopropulsore compatto e al di sotto della massima cilindrata consentita di 710 cc, un pistone è stato rimosso e il motore elettrico è stato installato nello spazio vuoto.
Il lavoro di tesi è focalizzato sulla sola parte endotermica e consiste nella creazione di un modello CFD-3D (modello computational fluid dynamics tridimensionale) partendo dalla geometria del motore scelto. Dopodiché, lo scopo finale è simulare una condizione operativa a pieno carico, usando come condizioni al contorno la pressione e la temperatura prese da un modello CFD-1D calibrato. I software usati per questi studi sono i codici commerciali della Siemens STAR-CCM+, STAR-CD e il suo strumento es-ice. La geometria iniziale è stata riparata e organizzata in STAR-CCM+, poi attraverso es-ice e STAR-CD è stata creata una mesh di movimento e sono state settate l’iniezione nel condotto e la combustione. Il modello di combustione scelto è il modello G-Equation, un modello capace di separare il bruciato dal non bruciato attraverso un’isosuperficie di uno scalare chiamato G, che generalmente è la superficie per cui G=0.
Sono state effettuate diverse simulazioni variando l’anticipo di accensione, al fine di rendere la traccia di pressione più simile possibile ai dati forniti. Poi è stata eseguita una simulazione multiciclo per eliminare l’effetto della varianza ciclica sul risultato della media d’insieme, tenendo conto della massa attraverso le valvole, del rendimento di intrappolamento, del rapporto di equivalenza e delle grandezze interno cilindro. Una volta raggiunta la convergenza, è stata studiata più in dettaglio la combustione con modelli più complessi.
Infine, il modello CFD-3D calibrato sarà la base di investigazioni più approfondite e sviluppi futuri che riguardano diverse strategie di iniezione e la variazione del rapporto di compressione.
|
Abstract
In recent years, antipollution rules have become progressively stricter and many automotive companies are moving from pure internal combustion engine vehicle to hybrid or even full electric ones. The world of motorsport is not insensible to this change and Formula Student has given its answer too, creating a competition for hybrid single-seaters.
The University of Modena and Reggio Emilia has decided to develop its own racing car from scratch, in order to compete in Formula Student Hybrid in 2019. The internal combustion engine is still a strongpoint and the Ducati 959 Panigale’s one has been chosen as the base of the endothermic unit of the new vehicle. To keep the hybrid power unit under the maximum allowed displacement of 710 cc and compact, one piston has been removed and the electric motor has been installed in the empty space.
The thesis work is focused on the endothermic part only and it consists in the creation of a 3D-CFD model (three-dimensional computational fluid dynamics model) starting from the geometry of the chosen engine. After that, the final aim is to simulate a full-load operating condition, using pressure and temperature boundary conditions from a calibrated 1D-CFD model. The software used for these studies are the commercial codes by Siemens STAR-CCM+, STAR-CD and its tool es-ice. The initial geometry has been repaired and organized in STAR-CCM+, then the moving mesh is created and boundary conditions applied, port fuel injection and combustion set through es-ice and STAR-CD. The chosen combustion model is G-Equation, a model capable of separating the burnt from the unburnt by an isosurface of scalar named G, generally the G=0 surface.
Different simulations varying the start of ignition timing advance are carried out, in order to make the pressure trace of pression as similar as possible to the provided data. Then a multicycle simulation is executed to discard the effect of cyclic variance on the ensemble average result, accounting for mass through valves, air trapping efficiency, equivalence ratio and in-cylinder physical quantities. Once the converge in accomplished, combustion is studied more in detail with higher complexity models.
Finally, the calibrated 3D-CFD model will be the basis for deeper investigation and future developments concerning different injection strategies and the variation of compression ratio.
|
