Sviluppo di un modello di simulazione della variabilità ciclica di funzionamento di un motore a combustione interna ad accensione comandata

La moderna progettazione dei motori a combustione interna è dominata dalla spinta verso un funzionamento sempre più efficiente e meno inquinante, per soddisfare tali requisiti, la ricerca si è orientata verso l'estensione dei limiti operativi stabili dei propulsori. Questo, unitamente alla crescente tendenza ad utilizzare carburanti a ridotte emissioni come l’idrogeno, porta l’attenzione dei costruttori su strategie di controllo sempre più sofisticate, soprattutto per quanto riguarda la combustione di miscele magre. La variabilità ciclica è da sempre una grande limitazione per i motori a combustione interna. La sua esistenza costringe gli ingegneri ad accettare compromessi progettuali dovuti all’incertezza che essa introduce, portando ad ingenti perdite tanto dal punto di vista delle prestazioni quanto dei consumi. Se in passato su questi problemi si è sorvolato, o si è presa la strada più semplice della combustione ricca, nei recenti anni, con l’affermarsi delle innovative strategie di combustione, questa tematica ha acquisito una posizione di centralità. La comprensione approfondita di questo fenomeno potrebbe portare a strategie di controllo motore più precise e quindi più efficienti e prestanti. Questo lavoro di tesi si propone di analizzare, tramite una campagna sperimentale, condotta su un motore monocilindrico ad accensione comandata otticamente accessibile alimentato ad idrogeno, metano e isottano, due grandezze elettriche proveniente dal sistema di accensione, che possono fornire preziose informazioni sulla variazione ciclo-a-ciclo (CCV) grazie alla loro relazione con la velocità e la dosatura della miscela nella regione degli elettrodi. Una volta caratterizzata la variabilità di questi, l’obiettivo finale di questo lavoro di tesi è quello di formulare e implementare una strategia di simulazione numerica con un approccio 0D/1D che riproduca il più fedelmente possibile questo fenomeno, con il fine di ottenere i medesimi valori di dispersione del picco di pressione e del relativo angolo. Il vantaggio principale di questo nuovo approccio è che la calibrazione del sotto-modello di variabilità può essere implementata usando due grandezze misurabili sul sistema di accensione del motore. Infine, l’analisi dei dati ottici acquisiti sul motore permette il confronto dei dati relativi all’area di fiamma con quelli prodotti dalla simulazione al fine di ottenere un’ulteriore validazione della strategia. Le evidenze numeriche mostrano un buon accordo qualitativo con i dati sperimentali, confermando che l’approccio è efficace per la caratterizzazione e la simulazione della CCV. Un’evoluzione di questo approccio potrà essere usata per ottenere indicazioni essenziali per lo sviluppo di strategie di controllo mirate a migliorare l'efficienza e le emissioni dei motori.