Metodologie sperimentali e teoriche per l'analisi ed il progetto dei moderni Motori a Combustione Interna

La diffusione di strumenti di calcolo sempre più sofisticati per lo studio dei processi termofluidodinamici sollecita lo sviluppo di ricerche volte, da un lato, al perfezionamento del livello di attendibilità dei codici di simulazione e, dall'altro, ad una approfondita analisi dei fenomeni che caratterizzano il funzionamento dei motori a combustione interna. Sono state mostrate, in questo lavoro, le potenzialità di un approccio integrato sperimentale-numerico per l’analisi dei fenomeni fluidodinamici che hanno luogo nei motori alternativi e per la progettazione di sistemi innovativi per la loro alimentazione. Ciò è stato finalizzato allo studio dei motori ad accensione per compressione ad iniezione diretta ed al progetto di un innovativo piccolo motore 2T ad accensione comandata. Ci si è soffermati, in particolare, tanto nelle fasi di analisi fluidodinamiche quanto in quelle progettuali sui sistemi di adduzione dell’aria e del combustibile. Le attività espressamente dedicate allo studio fluidodinamico di motori sovralimentati hanno raggiunto lo scopo di stabilire le necessarie relazioni tra la sperimentazione e la simulazione numerica e, soprattutto, il loro reciproco supporto allo sviluppo di metodi per la comprensione delle fenomenologie riguardanti i sistemi di alimentazione. E’ stato quindi possibile analizzare in dettaglio l’influenza esercitata dalle caratteristiche di alcuni componenti – la turbina a geometria variabile, i sistemi di ricircolo dei gas di scarico, la geometria e la disposizione dei condotti – sull’efficacia della sovralimentazione in varie condizioni operative di un motore diesel. Si è quindi mostrata l’efficacia dell’adattamento delle mappe della turbina alle diverse condizioni di carico e di velocità del motore, e sono state evidenziate le condizioni più critiche risultanti dall’attivazione dei sistemi per l’abbattimento degli inquinanti. In quest’ultimo caso, è stato rilevato come possa risultare fortemente alterata la capacità del sistema di sovralimentazione e la conseguente necessità di controllare l’alimentazione del combustibile, al fine di ristabilire i giusti livelli di dosatura dei reagenti. Nella fase di progettazione dei sistemi di alimentazione di un motore a due tempi, si è mostrato come il contributo dell’analisi fluidodinamica sia di particolare rilievo per la corretta scelta delle caratteristiche ottimali di componenti innovativi e per il loro dimensionamento. In particolare, il compressore scroll, proposto quale dispositivo di alimentazione esterno dell’aria al motore, si è dimostrato molto utile per il conseguimento di condizioni soddisfacenti per il processo di lavaggio, come mostrato dai risultati dei confronti con sistemi basati su convenzionali macchine volumetriche. Inoltre è risultato di insperabile efficacia l'approccio integrato delle metodologie di calcolo con quelle sperimentali, nel progetto di un sistema di alimentazione ad iniezione diretta ad aria assistita. Infatti la complessità dei fenomeni fisici causata dall'interazione di componenti innovativi - scroll con rapporto di compressione interno maggiore di uno e l'iniettore semiautomatico - è stata messa in evidenza dal flessibile codice di calcolo fluidodinamico utilizzato nel presente lavoro. Tale codice, peraltro, è stato suffragato costantemente da opportune analisi sperimentali dei singoli componenti. Lo studio presentato in questo lavoro fornisce, in definitiva, i presupposti per future e più complete analisi di proposte progettuali riguardanti sia i motori ad accensione per compressione sia i motori ad accensione comandata, basate sia sull'indagine teorico-numerica di processi specifici che sullo studio integrato del motore e dei suoi componenti. Inoltre propone un'applicazione di questa metodologia che ha portato alla proposta di un'innovativa configurazione di motore 2T ad accensione comandata.