Analisi ed ottimizzazione tramite simulazioni CFD 1D-3D di un motore ad alte prestazioni in configurazione Opposed Piston ad idrogeno 3 cilindri dotato di sistema turbo-compound

Il presente lavoro di tesi riguarda l’analisi e l’ottimizzazione, tramite simulazioni CFD 1D-3D, di un motore ad alte prestazioni in configurazione Opposed Piston ad idrogeno 3 cilindri dotato di sistema turbo-compound. L’accuratezza dei modelli è stata incrementata attraverso l’utilizzo di dati sperimentali ottenuti al banco di flussaggio per la caratterizzazione dei coefficienti di efflusso di aspirazione e scarico. L’obiettivo è stato valutare le prestazioni e le condizioni operative del motore durante un giro di pista di un circuito World Endurance Championship (WEC) mediante un modello Matlab/Simulink dell’intero veicolo. In una prima fase è stato sviluppato un modello CFD-1D dell’intera powerunit. Per aumentarne l’accuratezza, il coefficiente di efflusso è stato determinato tramite prove sperimentali al banco di flussaggio e simulazioni CFD-3D. Poiché il motore è ancora un prototipo, è stato necessario realizzare il sistema di aspirazione per svolgere le prove sperimentali. A tal fine è stata adottata la stampa 3D in PLA, che ha consentito una produzione rapida ed economica dei componenti. Sono quindi state eseguite prove di flussaggio per diverse posizioni del pistone e differenze di pressione. Sul sistema di aspirazione sono state successivamente condotte simulazioni CFD-3D per confrontare i risultati numerici con quelli sperimentali. Verificato il buon accordo tra simulazioni e misure sperimentali, il coefficiente di efflusso del sistema di scarico è stato determinato esclusivamente mediante simulazioni CFD-3D, con un significativo risparmio di tempo e costi. I coefficienti ottenuti sono stati infine implementati nel modello GT-Power. Per migliorare ulteriormente l'accuratezza del modello CFD-1D è stata svolta un’analisi CFD-3D del processo di lavaggio. A tale scopo è stato derivato dal modello dell’intera powerunit un modello semplificato relativo a un singolo cilindro, comprensivo di una porzione del sistema di aspirazione e del sistema di scarico. Questa procedura ha consentito di utilizzare nelle simulazioni CFD-1D e CFD-3D la medesima geometria e le stesse condizioni al bordo, garantendo un confronto coerente. Successivamente è stata effettuata l’analisi CFD-3D del sistema di iniezione con l’obiettivo di individuare una fasatura ottimale, in grado di garantire un buon compromesso tra quantità di combustibile intrappolato e uniformità della distribuzione del rapporto di equivalenza nel cilindro. Sono state considerate sia configurazioni Port Fuel Injection (PFI) sia Direct Injection (DI). Sebbene il sistema PFI garantisse un’elevata omogeneità della carica, esso presentava un coefficiente di intrappolamento troppo basso. Si è quindi optato per una soluzione DI a bassa pressione, individuando una fasatura con perdita di combustibile minima e buona uniformità della miscela. Dal modello GT-Power è stata successivamente ricavata la mappa di efficienza del motore in funzione di coppia e regime di rotazione. Tale mappa è stata ottenuta considerando tre strategie di gestione del carico: regolazione della qualità della miscela, deattivazione dei cilindri e controllo della valvola di by-pass del compressore. La mappa motore è stata quindi implementata in un modello MatLab/Simulink dell’intero veicolo, che attraverso l’utilizzo di un profilo velocità-tempo derivato da un giro reale sul circuito di Spa-Francorchamps, ha permesso di determinare le condizioni operative del motore, valutandone efficienza e consumo di combustibile. In conclusione, il motore sviluppato risulta in grado di fornire la potenza necessaria per replicare il profilo di gara considerato, operando per la maggior parte del tempo in condizioni di elevata efficienza.