Ottimizzazione delle prestazioni energetiche ed ambientali di motori termici
Lo studio mediante tecniche numeriche di motori a combustione interna ad accensione comandata è in linea con le più recenti tendenze di sviluppo di tali motori, che preferiscono l’iniezione diretta di benzina alla iniezione nei condotti di aspirazione, in conseguenza dei numerosi benefici che quale tecnologia è in grado di offrire. L’attività di simulazione del funzionamento di motori GDI ha condotto alla messa a punto di sotto-modelli estremamente predittivi della dinamica di spray di combustibile in camera di combustione e delle prestazioni energetiche ed ambientali nella modalità di alimentazione di tipo misto, a carica omogenea o stratificata e globalmente povera. La sinergia tra le attività di carattere numerico e la sperimentazione condotta su motori otticamente accessibili è stata particolarmente utile ai fini della caratterizzazione delle fasi iniziali di combustione e dell’influenza della strategia d’iniezione sull’emissione di potenza e sulla formazione d’inquinanti, nonché per l’individuazione di condizioni per le quali si verificano combustioni anomale.
La modellazione termo-fluidodinamica segue classici approcci CFD (computational fluid dynamics) basati sull’integrazione delle equazioni di Navier Stokes mediate secondo Reynolds, cui vengono aggiunti opportuni modelli di chiususra per la turbolenza e schemi per la previsione dei termini sorgente dovuti alla cinetica chimica di reazione. La cinetica di prefiamma responsabile della eventuale accensione spontanea della cosidetta zona di end-gas della miscela è studiata ricorrendo a schemi cinetici di tipo lumped e mediante riduzione dei cammini di reazione, cioè raggruppando specie chimiche con comportamento analogo e trascurando reazioni aventi minore influenza sul processo ai fini di una consistente riduzione dell’onere computazionale.
Propagazione della fiamma: densità superficiale di fiamma calcolata numericamente (in alto) su due piani ortogonali con la presenza di una sacca posta sul lato iniettore (freccia rossa) dove è elevata la probabilità di detonazione in accordo con immagini raccolte su un motore otticamente accessibile (in basso)
L’accoppiamento di modelli CFD con algoritmi di ottimizzazione multi-obiettivo ha inoltre il miglioramento delle prestazioni energetiche e ambientali dei sistemi di combustione per l’autotrazione mediante formulazione e soluzione di opportuni problemi customizzati alla specifica applicazione considerata.
Esempio di ottimizzazione multi-obiettivo per carica stechiometrica: min NO, min HC, assenza di detonazione