Metodologia per il calcolo CFD-3D di raffreddamento di pistoni per motori ad alte prestazioni

In recent years, especially in high performance engines, the thermal stress of pistons has gradually increased due to the implementation of various technologies, aimed at meeting emission reduction and specific power increase requirements. If the heat is not properly dissipated, cracking and plastic deformation of the material as well as formation of hot spots triggering self-ignition can occur. To overcome these problems, one or more jets of oil are directed towards the piston undercrown region, impacting at high speed. This technique ensures immediate cooling and allows the engine performance to be increased without compromising the useful life. In order to optimize the oil jet effectiveness, 3D-CFD can be proficiently adopted. In this regard, the aim of this work is to define a robust numerical methodology able to simulate oil jet impingement and piston thermal field. In particular, a 3D-CFD Volume-of-Fluid (VoF) simulation is used to numerically assess the oil jet impact and provide a map of heat transfer coefficients, which, in turn, is adopted in a 3D-CHT model to estimate the piston thermal field.

Negli ultimi anni, soprattutto nei motori ad alte prestazioni, lo stress termico dei pistoni è gradualmente aumentato a causa dell'implementazione di varie tecnologie volte a soddisfare i requisiti di riduzione delle emissioni e di aumento della potenza specifica. Se il calore non viene dissipato correttamente, possono verificarsi crepe e deformazioni plastiche del materiale, nonché la formazione di punti caldi che provocano l'autoaccensione. Per superare questi problemi, uno o più getti d'olio vengono diretti verso la zona sottostante la corona del pistone, impattando ad alta velocità. Questa tecnica garantisce un raffreddamento immediato e consente di aumentare le prestazioni del motore senza comprometterne la durata utile. Al fine di ottimizzare l'efficacia dei getti d'olio, è possibile adottare con profitto la CFD. Lo scopo di questo lavoro è definire una metodologia numerica robusta in grado di simulare l'impatto dei getti d'olio e il campo termico del pistone. In particolare, viene utilizzata una simulazione 3D-CFD Volume-of-Fluid (VoF) per valutare numericamente l'impatto dei getti d'olio e fornire una mappa dei coefficienti di scambio termico, che a sua volta viene adottata in un modello 3D-CHT per stimare il campo termico del pistone. La metodologia proposta è stata convalidata sulla base di dati sperimentali relativi ad un pistone di un motore ad alte prestazioni. In particolare, è stata studiata una coppia di getti d'olio e la mappa del coefficiente di trasferimento termico risultante è stata utilizzata per ottenere il campo termico del pistone, che è stato infine confrontato con le misurazioni sperimentali disponibili. L'analisi mostra che la distribuzione dell'olio e lo scambio termico risultante sulla superficie del pistone dipendono fortemente sia dalle caratteristiche della mesh, in particolare dallo strato a parete, sia dal modello di turbolenza adottato.