Simulazioni CFD 1D-3D di un motore a pistoni contrapposti alimentato ad E85: iniezione, omogeneità e prestazioni

Il lavoro presentato si concentra sull’analisi e l’ottimizzazione di un motore SI monocilindrico a 2 tempi a pistoni contrapposti alimentato ad E85, tramite l’integrazione di modelli 1D (GT-Power) e 3D (AVL Fire). La sinergia tra modelli monodimensionali e tridimensionali è fondamentale per cogliere il dettaglio fisico del problema e il suo effetto sulle prestazioni complessive del motore. Il modello del motore viene prima realizzato in 1D, per valutare la fluidodinamica generale e il dimensionamento dei componenti come compressore volumetrico e lunghezze dei condotti. Da tale modello si estraggono le condizioni iniziali e al contorno per le simulazioni 3D sulla geometria specifica dei sistemi di aspirazione e scarico. Sono state quindi svolte delle simulazioni di lavaggio del motore con sola aria, al fine di analizzare il trasferimento di massa dal condotto di aspirazione al cilindro. Tali simulazioni hanno permesso di eseguire una calibrazione con approccio 1D-3D, modificando i coefficienti di efflusso nel modello 1D in funzione dell’andamento di portata d’aria attraverso le luci di aspirazione e scarico. Parallelamente, basandosi su dati sperimentali provenienti da paper scientifici, sono state effettuate con AVL Fire delle calibrazioni del sistema di iniezione diretta all’interno di un vessel, considerando pressioni di 40 bar e successivamente di 8 bar, al fine di valutare la formazione del getto e la sua distribuzione in condizioni controllate. Dopo un confronto dei risultati ottenuti si è proceduto a implementare le impostazioni della calibrazione sul modello del motore. Si è quindi integrata l’iniezione al lavaggio, potendo così analizzare il miscelamento di combustibile in camera. Posizione degli iniettori, evaporazione di combustibile e film a parete sono stati gli elementi principali per migliorare l’omogeneità del rapporto di equivalenza al fine di avere delle condizioni ottimali prima della combustione. Infine, è stata affrontata la simulazione multi-ciclo completa, aggiungendo la combustione, e la successiva calibrazione 1D-3D, con l’obiettivo di ottenere un modello integrato capace di prevedere in modo accurato le prestazioni del motore. L’approccio combinato 1D-3D evidenzia la complementarità dei due strumenti: GT-Power permette l’analisi rapida di scenari complessi e la predizione dei fenomeni globali, mentre AVL Fire consente di catturare dettagli locali cruciali per la calibrazione di lavaggio, iniezione e combustione, rendendo il processo di ottimizzazione di un motore a combustione più efficace e realistico.