Descrizione introduttiva

Il problema dell’impatto ambientale dei sistemi di conversione dell’energia è particolarmente sentito nel settore dell’autotrazione, sia per l’ampia diffusione dei sistemi di trasporto dotati di motori a combustione interna, sia perché l’emissione di sostanze inquinanti dai veicoli avviene per lo più negli ambienti urbani, in cui il ricambio dell’aria è fortemente ostacolato dalla presenza degli edifici.
Tra le strategie orientate alla definizione di tecnologie di propulsione per veicoli a minimo impatto ambientale, la simulazione numerica multidimensionale è destinata a ricoprire un ruolo dominante, soprattutto laddove la competitività dei prodotti e dei servizi deve essere garantita a monte dal processo di sviluppo del prodotto stesso. La simulazione è di grande aiuto per comprendere i dettagli del processo di combustione degli idrocarburi, principale responsabile della formazione delle sostanze nocive emesse allo scarico dai veicoli.
Le analisi a calcolo in ambito motoristico orientate al processo produttivo possono essere effettuate a diversi livelli: in fase di progettazione di un motore i contenuti inerenti la fluidodinamica sono oggetto di verifica ed ottimizzazione per definire forme e dimensioni della camera di combustione e dei sistemi di aspirazione; in fase di impostazione del motore si compiono valutazioni di massima per verificare gli obiettivi di prestazione del progetto, basandosi su dati sperimentali; infine, durante lo sviluppo sperimentale del motore, le analisi a calcolo diventano sempre più specifiche, dettagliate, ma anche complesse, e possono essere dedicate al rapid prototyping dei singoli componenti.

Obiettivi

Obiettivo del corso è quello di fornire le conoscenze di base e gli strumenti metodologici utili ad affrontare e risolvere problemi di fluidodinamica di interesse motoristico. Le nozioni fornite e gli esempi proposti hanno lo scopo di mettere in luce quelli che sono gli elementi di maggior importanza nella progettazione tecnologicamente avanzata dei sistemi di conversione dell’energia utilizzati per la trazione stradale.

Il corso metterà in luce i principali aspetti legati alla simulazione quasi-dimensionale e multidimensionale dei processi tipici dei motori a combustione interna. Poiché il problema può essere analizzato con un differente grado di approssimazione per quel che riguarda la definizione della griglia di calcolo, degli schemi numerici e dei modelli fisici in uso, si fornirà una panoramica delle scelte ottimali e delle possibilità offerte dai codici di calcolo oggi presenti sul mercato. In particolare, si metteranno in luce gli aspetti legati al carattere instazionario, multicomponente, turbolento e reagente dei flussi in esame, ed alla eventuale coesistenza delle fasi gassosa e liquida del combustibile utilizzato.

La parte introduttiva del corso metterà in luce le diverse finalità della simulazione numerica in ambito motoristico, ovvero: analisi monodimensionale del sistema motore completo, cioè comprensivo della camera di combustione e dei condotti di aspirazione e scarico; analisi tridimensionale di tipo puramente fluidodinamico, dedicata all’ottimizzazione di particolari specifici, quali la geometria dei condotti di aspirazione e della camera di combustione; analisi tridimensionale della fase di combustione.

Si focalizzerà poi l’attenzione sui sistemi maggiormente in uso sui veicoli, ovvero motori Diesel e motori a benzina.

La parte finale del corso sarà dedicata alla descrizione di un processo di validazione effettuato sulla base di dati acquisiti su motori funzionanti al banco. Infatti, perché un calcolo fornisca risultati veritieri e quindi perché un codice sia affidabile come strumento di previsione, occorre effettuare una attenta fase di validazione dei risultati mediante un confronto con dati sperimentali raccolti su una qualche configurazione.

Contenuti del Corso

Introduzione al corso

• Sistemi di conversione dell’energia - considerazioni di carattere generale e ruolo della simulazione numerica.
  
• Motori alternativi - aspetti termofluidodinamici del funzionamento dei motori a combustione interna ad accensione comandata e ad accensione per compressione.
  

Cenni sulla simulazione numerica monodimensionale

• Ottimizzazione del sistema costituito dal motore e dai condotti di aspirazione e scarico.
  
• Modelli di combustione “a zone”.
  

Simulazione numerica multidimensionale dei processi in camera di combustione.

• Griglie di calcolo. Ottimizzazione preliminare.
  
• Sistemi monofase e sistemi bifase.
  
• Caratterizzazione delle modalità di combustione in fase omogenea ed eterogenea.
  
• Modellistica della turbolenza in mezzi reagenti.
  

Simulazione di motori a combustione interna ad accensione per compressione.

• Iniezione ad alta pressione. Caratterizzazione degli iniettori e strategie di iniezione.
  
• Modellistica degli spray.
  
• Modelli di combustione.
  
• Formazione di inquinanti.
  
• Modalità di riduzione del particolato carbonioso e degli ossidi di azoto.
  

Simulazione di motori a combustione interna ad accensione comandata.

• Formazione della miscela in motori ad iniezione diretta.
  
• Modelli di combustione
  
• Formazione di inquinanti.
  
• Ottimizzazione della propagazione del fronte di fiamma.
  
• Modalità di riduzione degli inquinanti.
  

Validazione e confronto con risultati di prove di motori al banco.

Destinatari del Corso

Progettisti di motori a combustione interna che vogliano orientarsi all’uso dei metodi di simulazione numerica, comprendendone caratteristiche e potenzialità utili alla pratica progettuale.
Utenti di codici di calcolo commerciali, che intendano approfondire alcuni aspetti termo-fluidodinamici dei processi che hanno luogo in camera di combustione.

Prerequisiti

Data la natura applicativa del corso non sono richieste conoscenze specifiche nel campo dell'analisi numerica. Il corso è rivolto a laureati in ingegneria meccanica o chimica, in fisica o altre discipline scientifiche, ma anche ai diplomati tecnici, qualora essi possiedano una sufficiente cultura matematica e fisica di base. Pur non trattando nel dettaglio i modelli su cui sono basati i codici di simulazione in uso, se ne daranno comunque riferimenti bibliografici, per chi volesse effettuare ulteriori approfondimenti.

Materiale didattico

Ad ogni partecipante al corso verranno fornite delle dispense/note relative agli argomenti trattati, assieme a copie dei lucidi utilizzati durante le lezioni.