Analisi CFD 3D di un motore a combustione interna con l'utilizzo della tecnologia Water Injection

Negli ultimi anni, la crescente attenzione verso la riduzione delle emissioni inquinanti e il miglioramento dell’efficienza dei motori a combustione interna ha portato allo sviluppo di strategie avanzate per il controllo del processo di combustione. Tra queste, l’iniezione d’acqua in configurazione PFI (Port Water Injection) si è affermata come una tecnologia promettente, capace di abbassare le temperature in camera di combustione e di mitigare il fenomeno del knock nei motori ad accensione comandata. L’impiego di acqua sfrutta il suo elevato calore latente di vaporizzazione per assorbire energia termica durante la fase di compressione e combustione, consentendo strategie più aggressive in termini di rapporto di compressione e anticipo d’accensione, con un conseguente incremento dell’efficienza. La presente tesi si propone di analizzare gli effetti dell’iniezione d’acqua in un motore GDI (Gasoline Direct Injection), mediante simulazioni CFD 3D. Tuttavia, anziché modellare esplicitamente la combustione, si adotta un approccio semplificato, in cui il rilascio di energia viene rappresentato tramite una sorgente di calore calibrata per riprodurre fedelmente l’evoluzione della pressione interno-cilindro osservata sperimentalmente. Questo consente di concentrare l’analisi principalmente sull’evoluzione della water injection all’interno del motore, evitando le complessità legate alla modellazione dettagliata del processo combustivo (non essendo la combustione il focus di questo lavoro). La prima parte del lavoro è dedicata alla calibrazione degli iniettori, condotta tramite simulazioni CFD svolte in vessel statici (volume chiuso in ambiente quiescente a determinate condizioni di temperatura e pressione) . Vengono analizzati e calibrati sia l’iniettore GDI, responsabile dell’iniezione del carburante in camera di combustione, sia l’iniettore d’acqua, posizionato nel condotto di aspirazione. Gli output principali di questa fase riguardano la morfologia dello spray, la penetrazione, l’ SMD (Sauter Mean Diameter); i quali, una volta allineati con i dati sperimentali, permetteranno l’utilizzo, in ambiente interno-cilindro, del set-up adottato per la calibrazione. Nella fase successiva, i dati di calibrazione vengono utilizzati per simulare un singolo caso operativo a pieno carico, all’interno del tool Simcenter STAR-CCM+ In-Cylinder Solution con licenza del software Siemens DISW. Due configurazioni vengono confrontate: un caso con miscela ricca senza iniezione d’acqua; un caso stechiometrico con iniezione d’acqua nel condotto di aspirazione. Entrambi vengono infine messi a confronto con un caso di riferimento, ovvero un caso stechiometrico senza iniezione d’acqua, per evidenziare le differenze in termini di temperatura, evaporazione e distribuzione del film liquido all’interno della camera di combustione. L’obiettivo finale è comprendere l’impatto termo-fluidodinamico, con specifiche considerazioni sull’impatto della PWI tra cui potenziali benefici in un contesto motoristico ad alte prestazioni realistico, fornendo indicazioni utili per un’accurata ed efficace applicazione di questa tecnologia nel settore automotive.