Modellazione fluidodinamica monodimensionale del circuito di lubrificazione di un motore SI sovralimentato ad alte prestazioni = One-dimensional fluid dynamic modeling of a high performance turbocharged SI engine lubrication circuit

Il presente lavoro di tesi è stato svolto presso POWERTECH Engineering S.r.l., importante società di consulenza ingegneristica nell’ambito della simulazione fluidodinamica monodimensionale di motori a combustione interna, in collaborazione con Alfa Romeo-Maserati S.p.A. nella sede di Modena. Oggetto di studio di questo progetto è il propulsore che equipaggia la berlina sportiva della casa automobilistica italiana Alfa Romeo-Maserati nella versione Giulia Quadrifoglio; si tratta in particolare del propulsore ad accensione comandata bi-turbo da 2.9 L in grado di erogare una potenza massima di 510 CV, dotato oltretutto sia del sistema di fasatura variabile delle valvole (Variable Valve Timing, VVT) sia del sistema per la disattivazione di una bancata. L’obiettivo del seguente lavoro di tesi è lo sviluppo di un modello monodimensionale del circuito di lubrificazione di tipo Fast Running (FRM) da integrare all’interno di un simulatore di guida per la valutazione delle prestazioni e dei consumi del motore durante cicli guida omologativi. Partendo dal modello fluidodinamico dettagliato rappresentativo del circuito di lubrificazione fornito da Alfa Romeo-Maserati, si è proceduto con l’introduzione di alcuni componenti mancanti quali scambiatore di calore olio-acqua, filtro dell’olio e pompa dell’olio in modo da ottenere così una riproduzione dettagliata e fedele dell’architettura installata sul propulsore in esame. Il modello dettagliato è stato quindi calibrato in punti operativi stazionari in condizioni di funzionamento di pieno carico, grazie ad un set di dati sperimentali forniti per una specifica temperatura di riferimento, e successivamente validato anche ad altre temperature di funzionamento motore. Si è quindi proseguito con la fase di riduzione del modello con l’obiettivo di convertire il circuito dettagliato di partenza, definito anche High Fidelity Model (HF), in un Fast Running Model (FRM), definito anche Low Fidelity Model (LF), in modo da integrare il modello ridotto con i rimanenti sottosistemi motore all’interno del simulatore di guida. Come verrà discusso successivamente in modo approfondito, le analisi relative al circuito di lubrificazione sono generalmente sviluppate con modelli dettagliati dove i principali componenti (quali cuscinetti, scambiatori di calore, getti di raffreddamento pistoni, valvole limitatrici di pressione, etc.) vengono rappresentati con template opportuni presenti nel software di simulazione in grado di determinare la distribuzione di pressione, portata volumetrica e temperatura all’interno del circuito olio motore; di contro l’utilizzo di questo approccio richiede uno sforzo computazionale notevole e di conseguenza i modelli in questione sono caratterizzati da tempi di calcolo considerevoli. L’utilizzo invece della modellazione ridotta non prevede l’ausilio di modelli predittivi per descrivere il circuito olio ma al contrario utilizza una rappresentazione semplificata a mappe delle utenze principali, ricavate da flussaggi eseguiti sui singoli elementi del circuito, e opera una semplificazione significativa dei domini spaziali in cui transita il fluido, sacrificando parzialmente il dettaglio della dinamica delle onde di pressione ma mantenendo una descrizione fisica dei fenomeni principali; quest’ultimo approccio non pregiudica l’affidabilità dei risultati ottenuti ma assicura una notevole riduzione dei tempi computazionali.