Sviluppo e validazione di un modello 1D di un motore ad alte prestazioni

The topic of this thesis is the building and calibration of an 1D model in WAVE environment of the LMH V6 turbo engine in cooperation with Michelotto. The 1D geometry model has been extrapolated from the CAD model in CATIA environment. After the parametric construction of the geometry, the global engine’s performances had been calibrated (volumetric efficiency from ambient and plenum, air and fuel flow and the friction mean effective pressure which had been interpolated with the Chenn-Flynn model) to be able to make the combustion analysis knowing the chamber’s pressures. All the calibration had been made using the development data from the engine’s manufacturer. The resulting error was about 1% on all the parameters. The calibrated model had been checked using the dyno data. The results were very different, in particular at the low engine’s speeds. To understand the reason, 3D CFD analysis had been made on the exhaust and intake geometry, throttle body, Waste Gate valve and intake and exhaust valves. The CFD analysis allowed to better calibrate the pressure losses along the lines. The model had been calibrated on the dyno data with fixed fuel flow and changing the combustion parameters using a genetic code in Matlab environment. This calibration was necessary because there were no data of chamber’s pressures, air flow and volumetric efficiency. The fitness to be minimize were the error with the dyno power and dyno lambda values. The new combustion had been compared with the first one to understand the reason of the errors. The new model had been used in an optimization loop to maximize the engine’s performances, the fitness to be minimize were the minimum point of the brake specific fuel consumption and the mean of brake specific fuel consumption forcing a constant engine’s power. For the optimization the following geometries had been modify using a genetic algorithm: intake and exhaust’s lengths and diameters and the valve’s lift profiles.

L’argomento della tesi tratta la costruzione e la calibrazione di un modello 1D in ambiente WAVE del motore LMH V6 turbo in collaborazione con Michelotto. La geometria 1D è stata estrapolata dal modello CAD in ambiente CATIA. Dopo la costruzione parametrica della geometria, le prestazioni globali del motore sono state calibrate (rendimento volumetrico rispetto all’ambiente e al plenum di aspirazione, portata di aria e carburante e pressione media di attrito che è stata interpolata col modello di Chenn-Flynn) per poter eseguire l’analisi di combustione conoscendo le pressioni in camera di combustione. La calibrazione è stata fatta sui dati di sviluppo dell’azienda costruttrice del motore. Il risultato della calibrazione ha portato ad un errore dell’1% su tutti i parametri. Il modello calibrato è stato confrontato con i dati acquisiti al banco prova. I risultati si discostavano molto, in particolare ai bassi regimi del motore. Per comprenderne le cause, sono state eseguite simulazioni CFD 3D in ambiente Fluent dei sistemi di scarico e aspirazione, sono state svolti i flussaggi del corpo farfallato, della valvola di Waste Gate e delle valvole di aspirazione e scarico. Le analisi CFD hanno permesso di calibrare meglio le perdite di carico delle linee. Il modello è stato calibrato usando i dati del banco prova imponendo una portata fissata di carburante e variando i parametri della combustione mediante un codice genetico in ambiente Matlab. Questa calibrazione è stata necessaria a causa della mancanza di dati sulla portata d’aria e sulle pressioni in camera di combustione. Gli obiettivi da minimizzare sono stati l’errore sulla potenza e sulla lambda acquisiti al banco prova. I nuovi dati di combustione sono stati confrontati con quelli della prima calibrazione per comprendere i motivi degli errori. Il nuovo modello è stato usato in un loop di ottimizzazione che aveva l’obiettivo di massimizzare le prestazioni del motore, in particolare i fitness da minimizzare sono stati il punto di minimo del consumo specifico e la media del consumo specifico a parità di potenza del motore. Le geometrie coinvolte nell’ottimizzazione sono state le lunghezze e i diametri di aspirazione e scarico e i profili di alzata valvole.