PROGETTO EL MOTORE E DEL CONTROLLO
Anno: 2 Periodo didattico: 10,2° emisemestre nO crediti: 8
nO ore di lezione: 64 nO ore di esercitazione: 20 nO ore di laboratorio: 6
Obiettivi generali del modulo
Il corso si propone di fornire agli allievi che scelgono l'inélirizzo ·Propulsori", la conoscenza delle tematiche inerenti alla progettazione strutturale e termofluidodinamica del motore e ai parametri del controllo, studiando:
- l'architettura del motore e le problematiche termiche e strutturali dei principali componenti;
- i sistemi di ricambio della carica ed il controllo dell'alimentazione dell'aria;
- il processo di iniezione, i sistemi di alimentazione del combustibile èd il loro controllo;
- là termofluidodinamica alla base del progetto aella camera e del processo di combustione.
Competenze atièse
Condscenza approfòndita delle pròblematictìe e fneloélòlogiè éli progettazione del mot6re nei suoi vari componenti, cdn riguardo ili prinèipali aspetti funzionali, termofluiaodinamici e strutturali. Capacità di valutazione ed ottimi?Zazione dei parametri che condizionano il ricambio della carica (con riguardo anche alle tecniche dei còndotti risonanti a geometria variabile), la distribuzione (con riferimenti alla fasatura variabile) e la sovralimentazione. Conoscenza approfondita: dell'iniezione dei comBustibili (convenziònali e alternativi) e dei relativi sistemi;
delle problematiche éli fluidodinamica e combustidrie; della loro interàzione ed influenza sulle prestazioni e sulle emissioni inquinanti. Capacità di anaiisi dei processi termofluidodinamici e di combustione mediante moaelli zero-dimensionale e multi=dimensionali.
Prerequisiti
Sono propedeutici i moéltlli ai: Propulsori termici, Af'lplicaziòne del sistema propulsore al veicolo.
Programma delle lezioni
Arèhitettura e progettazione termo=strutturale del motore
- Architettura del molòre: approfondimenti di alcuni layout motore significativi. Progetto del manovellismo: riclìiami di analisi dinamica e viBrazibnale; procedure 8AE a supporto della progettazione; scelta dei cuscinetti.
- Analisi della distribuzione: dispositivi di còmando delle valvole e loro effetti sul rendimento organico del motore (ériteri ai minimizzazione dell'attrito); usura del contatto camma-cedente;
esempi di tecniche
CAE
di supportd.- Calcolo Bei cariclìi fermiéi e campi di temperatura in un motore: processi di trasmissione del calòre nel pròpulsòrè; calcolo del flusso di calore medid; influenza delle condizioni di funzionaméhtò; modelli ai calcolo del flusso termico istantaneo; modelli per la simulazione eil calcolò dei campi di lemperatura nei pfinCipali organi em~icarichi termici.
- crileri di prògettazione dei conipònenli statici del motore: influenza dei parametri di lavdrazione, montaggio e di funzionamento sulle sollecitazioni meècaniche e termiche (principali problemi); criteri di €limensidnarrìento
é
verifica delle deformazioni; dimensionamentò delle intercapedini di raffreddamento; richiami di analisi FEM eél applicazioni.- Analisi della lubriftèazione: lubrificanti; layout e dimensionamento ael circuito; tecniche CAE
di supporto.
Progettazione termofluidodinamica dei sistemi di ricambio della carica e controllo dell'alimentazione dell'aria
- Coefficienti di efflusso attraverso le valvole e loro misura; aspetti cinematici e dinamici della distribuzione in relazione al processo di riempimento del motore; verifica di alzata e fasatura delle valvole. Criteri di progettazione termofluidodinamica delle valvole.
Principi di gasdinamica dei flussi non stazionari: aspetti applicativi ai fenomeni di propagazione ondosa nei sistemi di aspirazione e scarico e loro ottimizzazione ai fini delle prestazioni del motore.
- Modelli di calcolo monodimensionale (progettazione di layout) e tridimensionale (ottimizzazione di dettaglio).
- Sistemi VVT (Variable Valve Timing) e WA (Variable Valve Actuation): effetti della legge di alzata delle valvole sul riempimento, sulla curva di coppia del motore, e sull'entità di gas residui;
applicazione ai motori ad accensione comandata per il miglioramento della regolazione del carico; applicazioni ai motori diesel.
- Sovralimentazione: compressore a comando meccanico, turbocompressore e turbina a gas di scarico; alimentazione della turbina a pressione costante e variabile; accoppiamento del sistema di sovralimentazione al motore; progetto del sistema di aftercooling. Modelli numerici e simulazione di sistemi di sovralimentazione e di motori sovralimentati. Parametri di controllo.
Valutazione degli effetti della contropressione allo scarico sulle prestazioni del motore. Sistemi ad elevato rapporto di sovralimentazione.
Progettazione dei sistemi di alimentazione del combustibile e del loro controllo
- Richiami sui combustibili liquidi e gassosi: convenzionali (specifiche e riformulazione);
ossigenati; alternativi.
- Modelli di calcolo delle prestazioni di sistemi di iniezione del combustibile e loro controllo.
Analisi dei transitori f1uidodinamici e di possibili fenomeni di instabilità e cavitazione; effetti sulla formazione dello spray.
- Interazione dello spray e moto dell'aria: formazione della miscela comburente ed effetti sulle prestazioni.
- Iniezione di benzina: a monte delle valvole di aspirazione (Single-Point, SP, e Multi-Point, MPI) e direttamente in camera di combustione (GDI). Strategie di iniezione diretta GDI:
formazione di carica omogenea e stratificata.
- Iniezione di gasolio: sistemi a Common Rail, iniettore-pompa (Unit Injector); criteri per la loro progettazione.
- Sistemi per !'iniezione di combustibili alternativi: gas naturale e GPL.
Progettazione termofluidodinamica del sistema di combustione e del relativo controllo Processo di combustione nei motori ad accensione comandata.
- Misura ed analisi della pressione in camera; rilascio di calore, modelli zero-dimensionali, modelli multizona e loro applicazione alla diagnostica di processo ed alla progettazione.
Valutazione dei principali parametri di combustione.
- Accensione, sviluppo e propagazione della fiamma; ruolo della turbolenza nel processo di combustione; interazione tra fluidodinamica e combustione; parametri di controllo della combustione; modelli di calcolo multidimensionale e loro applicazione al progetto del sistema di combustione; principali modelli di combustione e relative limitazioni.
- Iniezione diretta del combustibile e processo di stratificazione della carica: differenti strategie di combustione (stechiometrica, magra omogenea e stratificata) e del controllo relativo.
Processo di combustione nei motori ad accensione per compressione.
- Generazione del moto medio e della turbolenza e loro controllo in relazione agli effetti sulle prestazioni e sulle emissioni inquinanti, c,:>n particolare riferimento al particolato; formazione dello spray e della miscela.
- Ritardo d'accensione fisico-chimico; evoluzione della combustione; ruvigezza e anomalie di
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combustione. Analisi di rilascio termico. Effetti della legge di iniezione sul rilascio di calore e sulle prestazioni del propulsore. Downsizing.
- Criteri di progettazione termofluidodinamica mediante modelli zero-dimensionali ('filling and empting'), monodimensionali e mediante modelli multidimensionali.
Programma delle esercitazioni e di laboratorio
Gli allievi svolgeranno in aula esercizi numerici applicativi dei concetti impartiti a lezione. Sono previste esercitazioni sperimentali al calcolatore che prevedono l'impiego di codici per la simulazione numerica zerodimensionale, mono e pluridimensionale di processi nel motore e suoi apparati. Gli allievi inoltre svolgeranno esperienze di laboratorio mirate al rilievo della pressione nella camera di combustione di motori a benzina e a gas naturale ed alla relativa analisi di rilascio termico. Saranno effettuate esercitazioni di laboratorio al banco prova iniettori per l'analisi dei parametri di iniezione in sistemi a common rail.
Bibliografia
Il materiale didattico impiegato durante le lezioni ed esercitazioni costituito da appunti, diagrammi e schemi verrà raccolto in un CD-ROM che sarà reso disponibile agli studenti. Per approfondire argomenti specifici sono consigliati:
- G. Ferrari: "Motori a combustione interna", Il Capitello, Torino, 2001.
- D.E. Winterborne, R.J. Pearson: "Design Techniques for Engine Manifolds", SAE Int.
Publisher, 1999.
- H. Bauer, K.H. Dietsche, J. Crepin, F. Dinkler: "Diesel-Engine Management", Bosch-SAE Publishers, 1999.
- G. Bocchi: "Motori a quattro tempi", Hoepli, Milano, 1997.
- W.H. Crouse, D.L. Anglin: "Automotive Engines" MacMillan/McGraw-Hill, N.Y., 1995.
- A.Garro: "Progettazione Strutturale del Motore", Levrotto & Bella, Torino, 1992 - J.B. Heywood: "Internai combustion engines fundamentals", McGraw-Hill, N.Y., 1988.
U. Adler, H. Bauer: "Automotive ElectriclElectronic Systems", Bosch-SAE Publishers, 1988.
- v.1.
Krutov: "Automatic Control of Internai Combustion Engines", Mir Publishers, Moscow, 1987.- C.R. Ferguson: "Internai Combustion Engines", John Wiley & Sons, NY, 1986.
- C.F. Taylor: 'The Internai Combustion Engine in Theory and Practice", The M.I.T. Press, Cambridge, MA, 1985.
H. List, A. Pischinger: "Die Verbrennungskraftmaschine", 6 voI., Springer-Verlag, N.Y., 1976.
- R. Bussien: "Automobiltechnisches Handbuch", Technischer Verlag, Berlin, 1965
Modalità d'esame
L'esame si basa sulla valutazione delle esercitazioni svolte e su due prove, aventi valore di esonero e consistenti in test scrittielo esercizi. La prova oraleèfacoltativa; diventa obbligatoria per coloro che non sono stati in grado di svolgere con profitto almeno 1'80% delle esercitazioni e di ottenere gli esoneri alla fine di ogni modulo.