Riassunto analitico
L’obiettivo di questo progetto di tesi è l’implementazione di un modello fisico zero dimensionale per predire I flussi di calore all’interno di un motore termico di Formula Uno, a partire da dati di telemetria. La simulazione calcola con un errore molto piccolo il quantitativo di calore assorbito dal liquido di raffreddamento e dall’olio motore, è quindi in grado di calcolare istantaneamente la temperatura del liquido di raffreddamento e dell’olio motore all’uscita del motore stesso.
Il modello di partenza può essere trovato in letteratura [1], dove un modello termico di motore molto semplificato è presentato. Esso considera esclusivamente flussi convettivi e conduttivi all’interno del motore, trascurando il calore scambiato tra il sistema di scarico e il liquido di raffreddamento e assumendo che la temperatura del blocco motore e dell’olio motore siano equivalenti. Non sviluppa nessun modello per la predizione degli scambi termici tra gas all’interno del cilindro e le pareti del cilindro stesso, ma utilizza direttamente valori ottenuti da simulazioni termodinamiche.
Il nuovo modello è basato su formule analitiche e dati sperimentali ed è una completa revisione ed espansione del modello esistente. I flussi di calore sono modellati tenendo in considerazione sia i contributi dati dai flussi convettivi e conduttivi, sia le perdite per attrito tra i vari componenti meccanici all’interno del motore termico.
Il modello sviluppato inizia calcolando la temperatura dei gas all’interno del cilindro mediata su un ciclo motore. Tale temperatura è calcolata attraverso una mappa ottenuta da output di simulazione di GT-Power. Questa temperatura è necessaria per simulare i flussi convettivi tra gas all’interno del cilindro e pistone e tra gas all’interno del cilindro e pareti del cilindro stesso.
Da dati sperimentali si è osservato che ci sono molteplici flussi di calore che contribuiscono all’innalzamento della temperatura del liquido di raffreddamento: dal sistema di scarico, dai gas del cilindro (attraverso le pareti del cilindro), dall’olio motore, dalle perdite per attrito. Tutti questi scambi si assume avvengano a temperatura costante del liquido di raffreddamento, pari a quella assunta dallo stesso ad ingresso motore (disponibile da telemetria).
Per l’olio motore si è osservato che i flussi che contribuiscono all’innalzamento della sua temperatura sono generati dalle perdite per attrito, dal calore derivante dai gas nel cilindro (attraverso il pistone) e da un contributo negativo di calore che dall’olio fluisce verso il liquido di raffreddamento. Per tenere in considerazione il fatto che gli scambi termici con l’olio avvengano in diversi punti del motore, il modello è separato in due parti. All’ingresso del motore si assume che l’olio assorba calore dai gas del cilindro attraverso il pistone e il calore generato dalle perdite per attrito. Questi scambi avvengono a temperatura costante, pari alla temperatura dell’olio all’ingresso del motore (disponibile da telemetria). A questo punto, l’olio motore riscaldato trasferisce calore al blocco motore: all’interno del blocco motore un flusso trasferisce calore dall’olio al liquido di raffreddamento. Tale scambio avviene a temperatura costante pari, alla temperatura dell’olio dopo essere stato riscaldato all’ingresso del motore.
Il modello è calibrato con dati sperimentali e può essere adattato molto velocemente a eventuali nuovi modelli del motore termico. È stato validato attraverso la comparazione con dati sperimentali forniti da un banco prova motore interno all’azienda: il modello è in grado di predire gli scambi di calore verso l’olio motore e il liquido di raffreddamento con un errore del massimo 2%.
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Abstract
The aim of this work is the implementation of a physical 0D model capable of predicting the heat fluxes inside the 2022 Formula One internal combustion engine from telemetry input data. The simulation computes with a small error the amount of heat absorbed by the coolant and the quantity absorbed by the engine oil, therefore it is capable of instantaneously evaluating the temperature of the coolant and the engine oil at the engine outlet.
The starting model can be found in literature [1], where a very simple engine thermal model is presented. It considers only convective and conductive fluxes within the engine, neglects the heat exchange between the exhaust system and the coolant, assumes engine block and engine oil temperature to be equal to each other and does not develop any model for the prediction of heat exchanged between the in cylinder gases and the cylinder walls but directly uses the value obtained from thermodynamic simulations.
The new model is based on analytical formula fitted with experimental data and it is a complete revision and expansion of the existing model. The heat fluxes are modeled taking into consideration either the contribution given by all the convective and conductive fluxes occurring within the ICE or the heat losses due to frictions between different mechanical components.
The developed model starts computing the in cylinder gas temperature mediated over one engine cycle. This temperature is computed by means of a map created from outcomes of multiple GT-power simulations. This temperature value is needed to simulate the conductive heat exchanges occurring either between the in cylinder gases and the piston or between the gases and the cylinder walls.
From experimental data it was observed that there are multiple heat fluxes directed towards the coolant system: from the exhaust system, from the in cylinder gases (through cylinder walls), from the oil system, from the friction losses.
All these heat exchanges are assumed to occur at constant coolant temperature, equal to the one measured at the engine inlet (available from telemetry).
For the oil system, it was observed that the heat fluxes contributing to engine oil temperature increase are generated by friction losses, by heat from in cylinder gases (through piston) and a negative contribution heat rejection from oil) to engine coolant. To take into consideration that the heat exchanges with the engine oil are occurring at different locations within the engine, the model split them into two parts. As soon as the engine oil enters the engine, it absorbs heat from the cylinder through the piston plus the heat generated by friction losses. These exchanges occur assuming a constant oil temperature equal to the one at the engine inlet (available from telemetry). At this point, the heated up oil rejects heat to the engine block: within the engine block a conductive flux is generated to transfer heat from the engine oil to the coolant. This second part of oil exchanges is assumed to occur at a constant temperature, equal to the one the engine oil assumes after being heated up at the engine inlet.
The model is calibrated using experimental data and it can be adapted very fast to new engine versions. It has been validated through a comparison with different experimental data coming from one of the factory testing benches and is apable of predicting heat rejections to coolant and engine oil with small errors: maximum 2%.
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