Sviluppo di un modello a parametri concentrati in ambiente AVL CRUISE M di un motore per generazione di energia elettrica

Il presente lavoro di tesi, svolto in collaborazione con Isotta Fraschini Motori S.p.A. e AVL Italia, ha come obiettivo la calibrazione e validazione di un modello zero-dimensionale di un motore per la generazione di energia elettrica a bordo di grandi navi, mediante la piattaforma di simulazione multidisciplinare AVL CRUISE M. Al giorno d’oggi il trasporto marittimo rappresenta una delle modalità più sostenibili per la movimentazione di persone e merci. Tuttavia, pur garantendo un’elevata efficienza energetica, rimane una fonte rilevante di emissioni atmosferiche. L’aumento dei prezzi dei combustibili fossili e l’inasprimento delle normative ambientali hanno reso indispensabile lo sviluppo di motori più efficienti e a basse emissioni. In questo contesto, la disponibilità di modelli predittivi affidabili e veloci si rivela cruciale. Le simulazioni numeriche zero-dimensionali offrono infatti un valido supporto, poiché grazie ai tempi di calcolo ridotti permettono di ottenere in breve tempo una stima delle prestazioni e delle emissioni di un motore. Il caso di studio riguarda un motore Diesel (16V180C2M) con 16 cilindri a V e sovralimentato da tre turbocompressori in parallelo, dotato di un doppio Charge Air Cooler (CAC) a liquido. I dati sperimentali per la calibrazione del modello, messi a disposizione da Isotta Fraschini, includono 448 punti operativi. La procedura di calibrazione è stata condotta sviluppando sotto-modelli specifici per ciascun componente del motore, inseriti nei rispettivi sistemi fluidodinamici. Una volta calibrati, tali sotto- modelli sono stati integrati in un modello complessivo, capace di rappresentare l’intero motore. La prima fase ha riguardato la caratterizzazione fluidodinamica dei tre filtri aria e dei due CAC, modellati come orifizi. Lo scopo è determinare un coefficiente d’efflusso che rappresenti la caduta di pressione a cavallo della restrizione in funzione della portata. Per ogni CAC è stata inoltre eseguita una caratterizzazione termica mediante un modello capace di stimare il coefficiente globale di scambio termico sulla base di pressione, temperatura e portata dei due fluidi di scambio: l’aria in uscita dal compressore e il fluido refrigerante. In seguito, è stato modellato il processo di combustione tramite il modello predittivo Engineering Enhanced Diesel Cylinder (EEDC), che utilizzando pochi punti sperimentali (in questo caso 39) e opportuni coefficienti correttivi, consente di ottenere un modello affidabile e predittivo. Nell’ultima fase, l’attenzione si è rivolta ai sotto-modelli dei turbocompressori, considerati isolati dagli altri componenti. La finalità principale è stata la definizione di tabelle correttive comprendenti fattori di scalatura della portata d’aria e coefficienti moltiplicativi dello scambio termico sia per il compressore che per la turbina. Per la turbina, inoltre, viene determinato un fattore correttivo dell’efficienza per garantire la coerenza della potenza all’albero tra compressore e turbina. Completata la calibrazione di tutti i sotto-modelli, la loro integrazione ha portato alla costruzione di un modello complessivo del motore, validato sui dati sperimentali ottenuti al banco, in grado di riprodurre il funzionamento sinergico dei diversi componenti, fornendo così uno strumento predittivo robusto e di rapido utilizzo.