Il motore è dotato di un sistema turbo per la sovralimentazione, composto da un compressore e turbina entrambi radiali ad assetto fisso, un albero di trasmissione, un sensore per la rilevazione della pressione in uscita dal compressore, un controllore per l’elaborazione ed un attuatore per la regolazione della waste gate.
3.2.1 Il Compressore
Nella simulazione il componente compressore è impostato tramite l’inserimento dei dati prestazionali all’interno della TableData disponibile all’interno del blocco. Le tabelle disponibili sono di due tipologie a seconda del tipo di input relativo al flusso in ingresso: di tipo volumetrico o massico. Richiedono la definizione delle prestazioni per almeno due diversi valori di velocità di rotazione ad ognuna delle quali sono associate più condizioni di funzionamento. Tra queste, il programma individua, per ogni regime inserito, la
Figura 3.5: Complesso dei blocchi che modellano il sistema di sovralimentazione del motore con il relatvo apparato di controllo
condizione con il valore maggiore del rapporto di compressione e la considera come stallo. Congiungendo le condizioni di stallo per ogni dato regime si individuata la Surge Line. La tabella di valori racchiude delle linee guida attraverso le quali interpolare tutti gli altri possibili punti di funzionamento del compressore e ottenere le relative prestazioni della macchina su un campo continuo di valori, ovvero la mappa del compressore, di solito direttamente fornita dal costruttore della macchina.
La TableData scelta richiede come valore di input la portata in massa. I valori da inserire in tabella però, devono prima essere riportati alle condizioni di riferimento definite nelle altre sezioni relative al template del compressore. L’operazione segue le equazioni 3.20 e 3.21. RP Mcorr= RP Mact Û3“ ref “act 43R ref Ract 43 T ref Tin,tot 4 (3.20) ˙mcorr= ˙mact Û3“ ref “in 43R in Rref 43T in,tot Tref 4 (3.21) Il pedice corr si riferisce ai valori corretti, act a quelli attuali da correggere, mentre ref a quelli di riferimento. R indica il valore della costante del gas mentre con “ ci si riferisce al rapporto tra i calori specifici. La compilazione della tabella viene riportata nell’immagine 3.6.
Dai dati inseriti in tabella è possibile ottenere in fase di costruzione del modello una prima analisi del compressore costruendo le mappe di efficienza e velocità. Queste vengono elaborate dal preprocessore interpolando i dati di input forniti ed estrapolando sulla base di questi altre curve analoghe. Successivamente con la compilazione del codice, il programma estrapolerà punto per punto la mappa completa del compressore. Il confronto tra i due risultati è visibile nelle figure 3.9 e 3.10.
Dalle immagini si evidenzia bene quale sia il campo di lavoro del compressore che si estende dalla linea di pompaggio fino a quella di saturazione. La linea di pompaggio, anche detta surge line, è il luogo dei punti in cui l’equilibrio dinamico del compressore viene rotto e si verifica l’effetto di rifiuto della portata in ingresso. Per tale ragione oltre la
Figura 3.6: Tabella dati compressore.
Figura 3.7: Tabella dati turbina. Figura 3.8: Compilazione delle tabelle delle prestazioni del compressore e della turbina del sistema di sovralimentazione.
linea di pompaggio il compressore non deve assolutamente lavorare. A destra, la linea di saturazione, o choking line, corrisponde al raggiungimento delle condizioni soniche e quindi anche della portata massima che il compressore può fornire.
3.2.2 Albero
L’albero che accoppia il compressore alla turbina è modellato con un blocco molto semplice denominato ShaftTurbo, ideale per le applicazioni di sovralimentazione. Come dati principali in ingresso il blocco richiede la velocità di rotazione iniziale ed il momento di inerzia; quest’ultimo parametro risulta di non interesse vista la stazionarietà delle simulazioni.
3.2.3 Turbina
Il blocco che modella la turbina è molto simile come struttura a quello del compressore. Anche in questo caso il cuore del blocco risiede nella compilazione della tabella relativa alle prestazioni. La compilazione della tabella è mostrata in figura 3.7. In ingresso sono richiesti anche qui i valori ridotti di velocità e flusso di massa secondo le relazioni 3.22 e 3.23. RP Mred= RP M act Tin,tot Û3“ ref “act 43R ref Ract 4 (3.22) ˙mred= ˙ma ctTin,tot Pin,tot Û3“ ref “act 43R act Rref 4 (3.23)
Figura 3.9: Confronto tra la mappa di velocità del compressore all’inserimento dei dati prestazionali nella costruzione del modello e in seguito alla compilazione del codice.
Figura 3.10: Confronto tra la mappa di efficienza del compressore all’inserimento dei dati prestazionali nella costruzione del modello e in seguito alla compilazione del codice.
3.2.4 Controllore Waste Gate
Il sistema è controllato da una Waste Gate (WG), il cui diametro è calcolato ad ogni timestep sulla base della misura di diversi parametri del sistema di sovralimentazione con l’obiettivo di inseguire un target definito. Il controllo può essere scelto in riferimento a diverse possibilità; in questo caso è stato scelto di monitorare la pressione di sovralimentazione misurata nel condotto di mandata del compressore mediante un sensore, affinchè rimanga su un valore stabilito. Nel corso della simulazione il controllore modificherà il valore del diametro della Waste Gate (linea blu nella figura 3.11) in modo che la pressione in uscita dal compressore (linea verde) rincorra il valore di pressione idefinita come target (linea gialla) sino alla condizione stazionaria.
3.2.5 Intercooler
Per la modellazione dell’intercooler è stato scelto un metodo semipredittivo che fornisce come output il fluido in condizioni di temperatura e pressione note. Per fare ciò, si creano delle condizioni di funzionamento di blocchi, non particolarmente indicati alla modellazione
di uno scambiatore di calore, che prescindono dal funzionamento reale. L’intercooler si compone di due tipologie di blocchi principali: due FlowSplit, uno di ingresso, che coinvoglia il flusso da un canale in più condotti, ed uno di uscita, che svolge il ruolo opposto; un
RoundTube, tubo di sezione piccola sezione circolare (3,5 mm) che, moltiplicato per 1500
volte, costituisce il cuore dello scambiatore di calore. Lo scambio con un fluido secondario non viene quindi modellato in nessun modo, ma anzi, viene imposta una temperatura di parete del valore desiderato (320 K) e un valore molto alto (10) del moltiplicatore di trasferimento di calore. Allo stesso modo viene sviluppata la geometria e il valore del moltiplicatore di attrito (1,4) in modo da fornire la stessa caduta di pressione che si avrebbe in un radiatore dalle medesime prestazioni. Con questi presupposti il fluido, indipendentemente dalla condizioni di ingresso, fuoriesce dallo scambiatore alla temperatura imposta dalle pareti.
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Figura 3.11: Monitor del controllore della WG.
Questa è la principale ragione che rende la prima configurazione di studio, ovvero quella con l’iniezione a monte dell’inter- cooler, interessante solo per effetti margi- nali e non relativi al funzionamento glo- bale del motore. A valle dell’intercooler, infatti, non si avvertono modifiche sostan- ziali al variare del fluido utilizzato come combustibile. Tuttavia si sceglie di con- servare il modello originale poichè effetti- vamente le configurazioni più interessanti per questo lavoro di tesi rimangono quelle con l’iniezione più a valle, lasciando inal- terata tutta la parte a monte, intercooler compreso. Inoltre va anche considerato il fatto che il fluido secondario, in un ele- mento di questo tipo, è generalmente l’a- ria ambiente che si presenta in condizioni di temperatura che variano in un range molto stretto di valori dai 0°C ai 40°C; di conseguenza, indipendentemente dalle condizioni di ingresso del fluido operativo, risulterebbe difficile raggiungere temperature più basse di quella già fissata nel modello.