Modello di Detonazione in GT-Power per Motori SI Sovralimentati ad alte prestazioni = Knock Modeling in GT-POWER for High-Performance SI Turbocharged Engines

Il presente lavoro di tesi è stato svolto presso POWERTECH Engineering S.r.l., società di consulenza ingegneristica nell’ambito della simulazione fluidodinamica CFD-1D e 3D di motori a combustione interna, in collaborazione con Maserati S.p.A. nella sede di Modena. Oggetto di studio di questo progetto è il motore che equipaggia il SUV Alfa Romeo nella versione Stelvio Quadrifoglio. Si tratta in par-ticolare della versione orientata alle prestazioni ed equipaggiata da un propulsore ad accensione comandata bi-turbo da 2.9L in grado di erogare una potenza massi-ma di 510 CV. In un motore ad accensione comandata, la detonazione rappresenta l’anomalia di combustione più limitante in termini di scelte costruttive e rendimenti. Il rischio di detonazione impone infatti limiti sul rapporto di compressione, sull’anticipo di accensione e allo stesso tempo determina vincoli restrittivi per quanto riguarda le caratteristiche del combustibile. In condizioni particolarmente severe il knock può portare ad un serio danneggia-mento degli organi del motore. Obiettivo della tesi è lo sviluppo di una metodologia per calibrare e correlare il modello di Knock di Douaud e Eyzat all’interno del software di simulazione fluidodinamica monodimensionale GT-Power, al fine di ottenere un modello in grado di replicare con sufficiente accuratezza le misure sperimentali e allo stesso tempo abbastanza predittivo da essere utilizzato durante le fasi di early-development di un nuovo motore. In primo luogo le tracce sperimentali di pressione all'interno del cilindro sono state analizzate con l'intento di ricostruire la curva caratteristica Indice di Detonazione vs Spark Advance, il cui ginocchio definisce il valore di anticipo al limite di detonazione. Come verrà discusso nel dettaglio, data la difficoltà ad individuare il Knock Limited Spark Advance come output delle curve caratteristiche, la successiva fase di calibrazione è stata condotta su un dataset alternativo, appartenente allo stesso propulsore e risultato della usuale mappatura del motore dal punto di vista di performance e consumi-emissioni. Il modello di Knock, calibrato su un sub-set di punti operativi, è stato validato sull’intera mappa motore, utilizzando un controllo sulla fasatura di combustione che, a partire da un valore base (MBT timing da letteratura) provvede a ritardare la combustione in ottica di salvaguardia del propulsore, ossia quando si raggiungono condizioni critiche in termini di Knock o di pressione massima nel cilindro. Questo approccio permette di replicare gli andamenti sperimentali non solo nella zona di low-end torque ma anche nella porzione della mappa agli alti carichi e alti regimi, in cui il fenomeno limitante per il motore in oggetto non è più rappresentato dal Knock quanto dalle massime sollecitazioni che la struttura può sopportare. La bontà dei risultati in termini di baricentro della combustione e delle principali grandezze in ambito performance confermano il buon grado di predittività del modello, che come ulteriore step di validazione è stato testato su una versione alternativa del medesimo motore V6, senza ulteriori fasi di calibrazione. Anche in questo caso i risultati ottenuti sono in linea con quanto osservato sperimentalmente. Considerata la relativa semplicità nel reperire i dati di input e l’elevato grado di predittività, questo approccio si è dimostrato molto interessante ed adatto alle valutazioni necessarie nelle prime fasi di sviluppo.