La attività di ricerca si è sviluppata in due ambiti
distinti:
1. Modellazione monodimensionale di sistemi pneumatici ed
oleodinamici per applicazioni industriali ed automobilistiche:
sistemi di iniezione Common Rail, pompe oleodinamiche, forcelle
motociclistiche.
2. Modellazione monodimensionale di motori alimentati a benzina
ed ad etanolo puro per lo studio dell'avviamento a freddo.
2. Modellazione fluidodinamica tridimensionale di:
a. processo di combustione per motori a benzina ad elevate
prestazioni, con particolare riferimento alla accensione;
b. studio di flussi altamente turbolenti;
c. studio della formazione di moti organizzati della carica nel
cilindro (Tumble).
d. Analisi dell'iniezione d'acqua nei moderni motori GDI.
e. Modellazione del processo di KNOCK nei moderni motori GDI e PFI
1. Modellazione monodimensionale. La attività di ricerca
è stata mirata allo sviluppo di modelli di simulazione numerica
monodimensionale:
Sistemi di iniezione ad elevata velocità di attuazione e
ad alta pressione per motori a combustione interna ad
accensione spontanea di tipo Common Rail. E' stato sviluppato un
primo modello di simulazione elettro-fluido-meccanica dello
iniettore ed è stata concepita e realizzata una centralina avanzata
di gestione dello iniettore stesso in collaborazione con la VM
Motori. Successivamente la ricerca si è concentrata sullo sviluppo
e sulla validazione sperimentale di una metodologia di studio
basata sullo utilizzo integrato della modellazione monodimensionale
e della modellazione tridimensionale al fine di ottenere un modello
monodimensionale completamente predittivo, in collaborazione con la
Magneti Marelli Powertrain Systems. Ciò ha consentito lo studio
approfondito non solo della dinamica dello iniettore ma anche della
interazione dei singoli iniettori fra loro e con il sistema di
iniezione in caso fossero adottate strategie di iniezioni
multiple.
Pompe oleodinamiche ad ingranaggi esterni. Sviluppo di
modelli monodimensionali di simulazione finalizzati allo studio ed
alla progettazione di pompe oleodinamiche ad ingranaggi esterni ad
uguale numero di denti. In questo ambito era di particolare
interesse lo studio delle pressioni nei vani fra i denti in
funzione della geometria della pompa, del numero dei denti e del
loro profilo al fine di ridurre il rumore di funzionamento. In
particolare è stato oggetto di studio lo sviluppo di un modello che
tenesse conto dello effetto della usura sulle prestazioni delle
pompe.
Rivettatrici ed insertatrici manuali oleopneumatiche.
Sviluppo di modelli numerici monodimensionali per la simulazione
finalizzata alla progettazione di rivettatrici ed insertatrici
manuali oleopneumatiche. Scopo della ricerca era di modellare la
interazione dinamica fra i diversi componenti per temporizzarli
accuratamente.
Forcelle oleodinamiche per applicazioni motociclistiche.
Sviluppo di modelli monodimensionali per la simulazione delle
forcelle oleodinamiche di scooter e motociclette: scopo di tale
studio era la comprensione dello effetto della cavitazione sulle
prestazioni di tali forcelle. Sviluppo di modelli monodimensionali
per la simulazione delle forcelle oleodinamiche a cartuccia per
motociclette da strada di alta gamma: scopo di tale studio era la
comprensione della dinamica interna della forcella per aumentarne
le prestazioni in termini di sicurezza e comfort di guida.
Avviamento a bassa temperatura di un motore a combustione
interna alimentato ad etanolo puro: l'obiettivo era lo studio
termofluidodinamico dell'avviamento di un veicolo equipaggiato con
un motore ad accensione comandata ed alimentato con etanolo puro in
condizioni di temperature esterne inferiori a 10°C. In particolare,
il lavoro di ricerca si è incentrato dapprima sull'identificazione
delle criticità connesse all'avviamento “a freddo”, legate alle
caratteristiche del carburante. Successivamente sono state
individuate possibili soluzioni progettuali, che sono state
investigate con idonee tecniche di simulazione numerica.
2. Modellazione tridimensionale. In questo ambito la
attività di ricerca si è concentrata sullo studio e sulla
modellazione del processo di combustione nei motori a benzina ad
elevate prestazioni con il codice KIVA-3 sviluppato con la
implementazione di numerosi modelli alla Università di Bologna. In
particolare sono state analizzate le problematiche connesse alla
accensione ed è stato sviluppato un modello in grado di simulare
tale processo. Questo è un punto critico nella modellazione 3D CFD
perché è necessario predire correttamente il funzionamento del
sistema di accensione nei motori a benzina. In particolare sono
critici il criterio usato per il deposito della fiamma e la
successiva inizializzazione della fase di combustione vera e
propria. Ovviamente una modellazione accurata di tale processo
richiederebbe la soluzione di time-steps e lunghezze molto minori
di quelle tipiche delle simulazioni CFD RANS, il che aumenterebbe
troppo i tempi di calcolo. Il modello sviluppato durante questa
attività di ricerca è un modello monodimensionale di
accensione, che è poi accoppiato al modello 3D CFD, e che tiene
conto degli effetti della convezione, della turbolenza e dello
indice di miscela sullo sviluppo del kernel di fiamma e poi sulla
combustione di fiamme premiscelate.
Successivamente la attività di ricerca si è concentrata
sull'analisi dei flussi nei motori a combustione interna, con
particolare attenzione alla formazione di moti della carica
organizzati. Infatti la continua richiesta di motori a basso
impatto ambientale e quindi a ridotti consumi ed elevate
efficienza, implica la necessità di combustioni rapide e a
ridotta variabilità ciclica. Nei motori PFI, che sono ancora i
più usati, è assolutamente necessario ottenere all'atto del
riempimento un moto della carica organizzato per
incrementare l'efficienza. In particolare la formazione di un
vortice di tumble coerente ed avente dimensioni comparabili con
la corsa del pistone tende a promuovere la formazione di un elevato
livello di turbolenza alla fine della fase di compressione, il che
accelera il processo di combustione e consente l'adozione di
strategie anche “lean-burn”, che altrimenti sono caratterizzate da
elevata variabilità ciclica a causa dell'instabilità di
combustione. In particolare per applicazioni motociclistiche
o per scooter, il moto di tumble è considerato ancora più
importante per aumentare l'efficienza del motore perché i pesi
ridotti ed i limiti di ingombro, nonché di costo, limitano in tale
campo l'adozione di sistemi che invece sono largamente in uso in
campo automobilistico. Attualmente è in corso uno studio mirato a
verificare l'influenza che alcuni parametri geometrici e di
funzionamento hanno sulla generazione del moto di tumble durante la
fase di aspirazione, nonché dellaproduzione di turbolenza
durante la fase di compressione, considerando però anche
l'importanza del riempimento del cilindro e quindi non trascurando
questo aspetto rispetto al resto. Le analisi sono eseguite con il
codice CFD Fire v.2008.
