Modellazione ed ottimizzazione di sistemi di aspirazione e scarico di M.C.I. mediante approccio integrato 1D-quasi 3D

Nowadays performance optimization and noise abatement of internal combustion engines are issues of extreme concern, promoting the development of 1D and multi-dimentional codes used in the engine design. One-dimensional codes became extremely reliable and widely used tools for the engine simulation; however they show some limitations when applied to the modeling of complex systems, for which the assumptions at the basis of the 1D approximation are no longer entirely valid. For this reason in the last few years there has been an increasing interest towards integrated 1D-3D methods. These codes allow to correctly predict tridimentional phenomena and provide extremely accurate results, but they require a significant computational time. The present work is inserted in this context because it deals with the application of a novel quasi-3D approach named 3Dcell, recently developed in the Energy Department of Politecnico di Milano for the internal combustion engine analysis. This method is based on the geometrical reconstuction of the component by means of a network of zero-dimentional elements connected to each other. The 3Dcell approach allows to adopt a very coarse mesh for the geometric discretization: this results in a low computational burden. In this work firstly issues related to the quasi-3D modeling of simple intake and exhaust systems have been addressed. New methods of mesh generation have been proposed and a novel model of filter element has been implemented. Moreover the airbox and exhaust system of the Aprilia V4 engine have been modeled and the results have been validated resorting to the experimental data available. Then the problem of the optimization of systems modeled with the quasi-3D approach has been addressed, developing a new software named Optim3Dcell, which allows to perform a quick optimization by means of specific algorithms. Finally Optim3Dcell has been applied to the optimization of the airbox and exhaust system of an high performance Aprilia engine proposing more efficient alternative solutions.

L'ottimizzazione delle prestazioni e la riduzione dell'emissione sonora dei motori a combustione interna sono oggi tematiche di estrema importanza, che hanno favorito lo sviluppo di codici 1D e multi-dimensionali, impiegati nella fase di progettazione del motore. Gli strumenti monodimensionali sono oggi estremamente affidabili e largamente impiegati a questo scopo; tuttavia presentano alcuni limiti quando vengono utilizzati per la modellazione di sistemi complessi, per i quali non sono più del tutto valide le ipotesi alla base dell'approssimazione 1D. Per questo motivo negli ultimi anni si è manifestato un interesse crescente nei confronti dei metodi integrati 1D-3D. Questi codici consentono di prevedere correttamente fenomeni di natura tridimensionale e forniscono risultati estremamente accurati, ma d'altra parte comportano notevoli tempi di calcolo. Il presente lavoro si inserisce in questo contesto e tratta l'applicazione di un nuovo tipo di approccio quasi-3D denominato 3Dcell, recentemente sviluppato al Dipartimento di Energia del Politecnico di Milano per l'analisi dei motori a combustione interna. Questo metodo permette di modellare un componente realizzando una griglia di elementi zero-dimensionali a partire dalla geometria 3D dello stesso, consentendo l'utilizzo di una mesh più lasca rispetto ai tradizionali metodi CFD, riducendo così i tempi di calcolo senza penalizzare eccessivamente l'accuratezza dei risultati per le tipologie di simulazione considerate. Si sono affrontate inizialmente le problematiche legate alla modellazione di semplici sistemi di aspirazione e scarico con approccio quasi-3D, proponendo nuovi metodi di generazione di mesh e sviluppando un modello di elemento filtrante. Sono stati successivamente modellati l'airbox e lo scarico del motore Aprilia V4, validando tutti i risultati con i valori sperimentali a disposizione. Si è passati poi al problema dell'ottimizzazione dei sistemi realizzati con l'approccio quasi-3D, sviluppando un nuovo software denominato Optim3Dcell, che consente di realizzare velocemente il processo di ottimizzazione attraverso specifici algoritmi e l'automatizzazione di alcune fasi. Infine si è utilizzato Optim3Dcell per l'ottimizzazione delle prestazioni dell'airbox e dello scarico Aprilia analizzati, proponendo soluzioni alternative più performanti.