Modello di estrapolazione per le mappe dei compressori di motori turbo-sovralimentati : sviluppo e validazione in codici di simulazione 1D

1D simulation codes allow an accurate prediction of internal combustion engines behavior in a relatively short amout of time. When dealing with turbocharged engines, currently a relevant technology since they meet the demand for emissions reduction while maintaining good performances, one of the code’s sub-sections is devoted to the centrifugal compressor: its modeling is based on performance maps, provided by manufacturers as a sequence of experimental points limited at best in the region where it usually operates. However, the compressor often works outside this region during the simulations: consequently a full knowledge of its behavior even in off-design conditions is necessary. This work presents the development in Matlab of an extrapolation model able to generate complete maps from manufacturers experimental points, ensuring data in all compressor operating conditions. Several methods have been examined: the chosen approach handles the extrapolation in each off-design area separately , adopting for each one the most suitable of all the available methods. The model has then been tested using data from a wide number of compressors, always showing good extrapolation accuracy and consistency with the expected trends. Several simulations have been carried out in Gasdyn code, confirming a successful interaction between the generated data and the software; comparing the results with others obtained in the same conditions without complete maps, a better modeling of the compressor behavior and, in some cases, a better prediction of some relevant motor parameters are shown.

I codici di simulazione 1D garantiscono oggi una predizione del comportamento dei motori in tempi relativamente brevi e con una buona accuratezza. Quando si trattano motori turbo-sovralimentati, attualmente di primaria importanza poichè rispondono alla domanda di riduzione di emissioni mantenendo buone prestazioni, uno dei sotto-modelli che compongono questi codici è dedicato al compressore centrifugo. La sua modellazione si basa su mappe di performance, fornite dai produttori sotto forma di punti sperimentali nella regione di normale funzionamento; poiché durante la simulazione il compressore può trovarsi a lavorare al di fuori di essa, è necessario poterne conoscere il comportamento anche nelle zone di off-design. Il lavoro presentato è lo sviluppo e l’implementazione in Matlab di un modello di estrapolazione in grado di generare, a partire dai punti sperimentali noti, mappe complete dei dati sul funzionamento del compressore in tutte le condizioni operative. A valle di una ricerca sulla letteratura in merito, è stato selezionato un approccio che prevede di affrontare le estrapolazioni nelle varie aree di off-design singolarmente, adottando per ciascuna il metodo più preciso tra quelli esistenti. Il modello è stato testato con dati di diversi compressori, sempre dimostrando solidità e accuratezza di estrapolazione, generando risultati coerenti con gli andamenti attesi. Per la sua validazione, sono state svolte numerose simulazioni con il codice Gasdyn che ne confermano il funzionamento. Dal confronto tra i risultati ottenuti con quelli ricavati senza le mappe complete, si osserva poi un miglioramento nella predizione del comportamento del compressore e, in alcuni casi, nell’accuratezza di calcolo di alcuni dei parametri motoristici più rilevanti.