Quando pensiamo alle nostre supercar preferite sicuramente nella nostra mente associamo ad ogni immagine, un colore ed un rumore. Ed è quel rumore che noi chiamiamo rombo che spesso ci affascina. Ma è quando si alza il cofano che si scopre il motore, il vero cuore pulsante di tutte le auto.Il recente inizio del campionato di Formula 1 ci ha mostrato la vera arte ingegneristica che si cela nei più sofisticati e innovativi motori a combustione interna. Inoltre le stringenti normative anti inquinamento hanno fatto sorgere molti nuovi quesiti, soprattutto in termini di sostenibilità di questa tecnologia. Una strada è stata aperta dalle benzine verdi che mirano ad abbattere le emissioni a favore di una filiera più ecologica e quindi di una maggiore miscelazione con biocarburanti.
Tutto questo mantenendo invariata la potenza espressa in cavalli da un motore endotermico. In questo articolo vedremo quali sfide ingegneristiche devono affrontare gli addetti ai lavori, come la simulazione numerica può essere la soluzione e quali vantaggi si traggono da questa metodologia.
Sfide progettuali nei motori endotermici
Il motore a combustione interna (MCI o ICE in inglese da Internal Combustion Engine) o impropriamente chiamato motore a scoppio è una macchina motrice per convertire l'energia termica, posseduta da un flusso aeriforme aria-combustibile, in lavoro meccanico reso disponibile all'albero motore, ed usato per il movimento. La conversione avviene nella camera di combustione, dove i gas combusti generano alta pressione ed aumento di volume tale che spingono il pistone verso il basso, e il pistone a sua volta fa ruotare l'albero motore e trasmette lavoro all'albero di trasmissione. La miscela consiste in un combustibile (benzina, gasolio, gpl, metano, biocombustibili), mentre l'ossigeno dell'aria funziona come comburente. Il tipo di combustibile determina le caratteristiche del motore e quindi la sua applicazione.
Uno dei principali problemi da affrontare nella progettazione di nuovi motori endotermici ad alta efficienza e basse emissioni è che sono spesso dominati dalla cinetica chimica che si verifica durante la combustione. Di questo se ne deve tenere conto per ottimizzare i pesi e la potenza espressa sull’albero motore.
Come già anticipato nell’introduzione, le recenti normative guidate dal cambiamento climatico e dalle conseguenti preoccupazioni per la salute umana, oggi impongono ai progettisti di un motore, di ridurre le emissioni di anidride carbonica, che tradotto tecnicamente significa sviluppare motori che fanno un utilizzo più efficiente del carburante.
Gli ingegneri devono anche tener conto delle nuove evidenze e delle correlazioni delle emissioni con i problemi di salute e del grave inquinamento nei mercati emergenti. Tutto questo spinge le case automobilistiche a sviluppare motori sempre meno inquinanti. Nei motori a combustione interna questo viene perseguito introducendo elementi per l’ibridazione e l’alleggerimento del motore. Un’altra sfida è potenziare i motori e risparmiare sugli ingombri dimensionali e la gestione termica. Il trend dell’automotive nei motori a combustione interna è quello di utilizzare sempre più combustibili mantenendo le prestazioni.
La Fluidodinamica Computazionale a Supporto della progettazione di motori più potenti
Tutte le sfide ingegneristiche sopraelencate possono essere affrontate in maniera efficace grazie alla simulazione fluidodinamica. Oggi le simulazioni della combustione per progetti di motori avanzati si mostrano molto fedeli nei fenomeni chimici di combustione del carburante, utilizzando modelli numerici avanzati. I software attualmente permettono di simulare completamente la cinetica chimica dei carburanti e rappresentare con precisione le complesse sostanze chimiche prodotte.
La fluidodinamica computazionale permette di avere una cinetica dettagliata che cattura accuratamente i fenomeni critici di combustione come l'accensione, la propagazione del fronte di fiamma e la formazione di inquinanti. I modelli spray permettono di modellare gli iniettori e sono indipendenti dalla mesh e non necessitano di calibrazione. I modelli di autoaccensione sono invece in grado di prevedere fenomeni complessi come il battito in testa.
La simulazione numerica oggi permette agli ingegneri di configurare su misura un motore endotermico, generare automaticamente la mesh, risolvendo rapidamente la cinetica chimica della combustione. Tutto questo permette di prevedere le emissioni e i prodotti della combustione. I modelli spray permettono di prevedere la posizione del fronte di fiamma e di catturare i dettagli della fisica nell'iniezione della miscela aria-combustibile e la rottura di eventuali componenti coinvolti. Gli stessi modelli permettono di capire i fenomeni di vaporizzazione e le interazioni spray-parete. Oggi la simulazione CFD cattura la fisica in modo accurato e robusto con tecniche di mesh avanzate.
Vantaggi della CFD nella progettazione di motori a combustione interna
Come abbiamo visto, oggi le soluzioni software disponibili permettono di modellare numericamente anche la progettazione di un intero motore a scoppio. La simulazione può affrontare le sfide più difficili della moderna progettazione di motori senza sacrificare il tempo alla soluzione o alla precisione. Basandosi sulla chimica molto dettagliata e realistica, è possibile conoscere le reazioni di combustione, e questo è molto più efficace che lavorare con le chimiche semplificate e con un raffinamento iterativo delle mesh. Abbracciando la complessità della chimica della combustione e risolvendo le difficili sfide del lavoro con essa, le simulazioni CFD producono risultati accurati che possono ridurre i tempi di sviluppo del motore e risparmiare denaro. I software CFD offrono una compressione dei processi e un’ottimizzazione del flusso di lavoro. Con il presentarsi della richiesta di ridurre i tempi di consegna della progettazione, strumenti come questi possono aiutare a ridurre significativamente il tempo necessario per sviluppare motori sempre più potenti.
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