Periodico bimestrale
Anno XIX, numero 88
Sett./Ottobre
ISSN 1128-3874
Automotive

Analisi dell’efficienza termo-fluidodinamica della water jacket di un motore diesel

Matteo Ferrai

La prima fase del lavoro è stata caratterizzata dallo studio della letteratura esistente per trovare delle opportune condizioni al contorno da applicare al modello permettendo così di non dover simulare la combustione all’interno dei cilindri. Nella fase successiva si è passati alla revisione del modello, inizialmente è stata creata una mesh superficiale di tutto il motore con il software Hyperworks, un software Altair, successivamente tutte le operazioni sono state eseguite con SC-Tetra di Cradle. Al completamento di tutte le impostazioni del modello, quali condizioni iniziali, condizioni al contorno e mesh si è potuto lanciare i calcoli dal solver. Ultima fase del lavoro è stata l’analisi dei risultati ottenuti con le relative conclusioni.

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Fig. 1 - Modello con i volumi registrati

Introduzione

In questo lavoro è stato compiuto uno studio di pre-fattibilità di una water jacket di un motore diesel. Il motore in esame è un tre cilindri in linea con cilindrata totale di 1,2 litri, è stato pensato con quattro valvole per cilindro e iniettore in posizione centrale, un sistema EGR (Exhaust Gas Recirculation) per il recupero dei gas di scarico abbinato al DPF (Diesel Particular Filter). Il motore è pensato per soddisfare la classe di emissioni europea EU6.

 

Fasi di lavoro

Definizione e modello

Essendo uno studio di pre-fattibilità il modello in esame è stato semplificato (figura 1), lasciando solo le parti che definiscono il volume di water jacket, non considerando l’impianto di raffreddamento per intero, questa fase è stata eseguita con Hyperworks. Su Hyperwork è stata creata una mesh superficiale dei soli componenti monoblocco, àtestata e guarnizione di testata. Questa operazione ha permesso di ridurre drasticamente le dimensioni del file originale. Le parti che compongono il modello aggiornato sono monoblocco, testata e guarnizione di testata. 

La water jacket è divisa in due circuiti differenti: uno ha il compito di prelevare calore dalle pareti laterali dei cilindri, mentre l’altro circuito raffredda la testata con particolare attenzione alle zone maggiormente sensibili come i condotti di scarico. Gli ingressi dei due circuiti sono situati nel monoblocco. Il raffreddamento dei cilindri del motore avviene in serie, ovvero il liquido refrigerante del circuito del monoblocco raffredda in successione i tre cilindri prima di re-immettersi nel circuito generale. Nel caso della testata il condotto di ingresso del liquido refrigerante si dirama in tre differenti condotti, situati all’interno del monoblocco, che vanno a raffreddare la testata nelle zone dei rispettivi cilindri, per poi riunirsi in un unico condotto di uscita. Il liquido refrigerante è composto per il 50% da acqua e per il restante 50% da glicole etilenica.

Il monoblocco è in ghisa costruito con la tecnica della pressocolata. Si sceglie la ghisa perché il monoblocco dei motori diesel, oltre a dover sopportare grandi stress termici, deve lavorare a pressioni molto alte per permettere l’accensione del combustibile. 

Infine la testata è in lega d’alluminio, questa scelta permette di ridurre il peso complessivo del motore e quindi anche i consumi, oltre a migliorare la dinamica del mezzo.

Prima di passare alle condizioni di lavoro è stata completata la fase di registrazione di tutti volumi chiusi e le superfici; non è necessario registrare tutti i volumi e le superfici presenti nel modello, ma solamente quelli utili al fine della simulazione, ovvero tutte le regioni dove si dovranno applicare condizioni di analisi.

Per quanto riguarda i volumi sono stati registrati il il monoblocco, la testata, la guarnizione di testata e la water jacket. Per quest’ultima sono state create delle superfici che chiudono il volume nella porta di ingresso e di uscita che nella realtà non esistono, questo perché un volume per poter essere registrato deve essere chiuso.

Le superfici registrate nel modello sono le pareti interne laterali dei cilindri, le pareti che limitano il volume della water jacket, la deck dei cilindri e le superfici interne dei condotti di alimentazione e scarico.

 

Simulazione

Una parte delle condizioni al contorno utili per la simulazione è stata fornita dal progettista. Nel dettaglio sono state fornite la portata totale in circolo nel circuito di raffreddamento e la temperatura del liquido in ingresso nella water jacket del motore. È stata anche applicata una pressione nulla all’uscita della water jacket, questo perché per la risoluzione dei calcoli la pressione deve essere nota in tutti i punti. 

Tutti le condizioni mancanti necessarie per la simulazione sono state ricavate da uno studio della letteratura esistente in materia. Alla fine dello studio il problema dal punto di vista termico è stato diviso in due parti: monoblocco e testata. Per quanto riguarda il monoblocco si è scelto di applicare una potenza termica totale distribuita con andamento iperbolico nelle pareti dei cilindri, facendo in modo di applicare il calore in tutta la superficie a disposizione. Per la testata si è lavorato in modo diverso: sono state applicate delle temperature iniziali, più alte di quelle di funzionamento, e differenti coefficienti di trasmissione termica per i vari materiali e\o superfici.

È stata applicata la condizione di “stationary wall” a tutte le superfici a contatto con il fluido refrigerante, questa condizione permette di avere un profilo di velocità del fluido molto simile alla realtà, escludendo le superfici create appositamente per chiudere il volume di water jacket, questo perché tali superfici nella realtà non esistono.

Altre condizioni iniziali applicate sono l’assenza di resistenza termica tra fluido e solido e tra differenti solidi e materiali.

Infine si è passati alla scelta del modello risoluzione. In questo caso ci sono velocità del fluido molto basse, quindi bassi numeri di Reynolds e, per una corretta analisi, bisogna applicare modelli di risoluzione ottimizzati per le condizioni fisiche in cui ci si trova. È stato scelto il modello di turbolenza k-ω chiamato SST (Shear Stress Transport). Questo è un modello sviluppato per la prima volta da Wilcox, successivamente è stato ottimizzato da Menter, nelle zone vicine alla parete si comporta come k-ω, mentre allontanadosi dalla parete assume il comportamento dei modelli k- ε rendendo questo modello di turbolenza molto versatile. La ω ha la dimensione della frequenza (ω=k/ε [1/s])

Il passo successivo all’applicazione delle condizioni al contorno è stato creare una griglia computazionale valida. Per poter creare la griglia computazionale in SC-Tetra è necessario creare prima un octree e successivamente la mesh vera e propria (figura 2).

Fig. 2 - Octree e mesh

L’octree divide l’intero volume di controllo in tanti cubi, è possibile eseguire dei rifinimenti nelle zone desiderate, ovvero quelle con dimensioni molto piccole (nel caso in esame si può prendere come esempio la guarnizione della testata) o quelle con forti gradienti delle grandezze in esame. La dimensione dell’octree dà un’importante informazione sulla dimensione finale degli elementi, tetraedri, che compongono la mesh. A questa mesh bisogna aggiungere un preciso numero di strati di prismi nella superficie di contatto tra solido e fluido per poter migliorare lo studio dei comportamenti termo-fluidodinamici (figura 3). Il numero di strati di prismi dipende dal tipo di moto che presenta il fluido in esame. Un indicatore sulla bontà della mesh è il valore di y+, un valore adimensionale che indica la distanza tra il primo nodo della mesh e lo strato limite del fluido. 

Fig. 3 - Mesh della water jacket con dettaglio degli sttrati di prismi a parete

Per ultimo bisogna cercare l’indipendenza della griglia computazionale, ovvero bisogna aumentare gradualmente il numero di elementi che compongono la mesh fino a trovare il valore oltre il quale la griglia computazionale non influisce sui risultati delle analisi. Quando sono state completate tutte le precedenti fasi è stato possibile lanciare il solver per eseguire i calcoli aprendo S-file associato a un PRE-file, entrambi esportati da Pre-processor. Il solver ha un monitor dove è possibile analizzare in tempo reale l’andamento dei calcoli. È quindi possibile vedere l’andamento dell’errore residuo e di tutte le grandezze prese in esame (figura 4).

Fig. 4 - Monitor del Solver

Quando è stata raggiunta la convergenza il calcolo si interrompe, il solver salva vari file, tra cui i più significativi sono L-file, che contiene tutte le informazioni ciclo per ciclo sul calcolo appena eseguito, un MON-file che permette di visualizzare il monitor del solver in qualsiasi momento, e un FLD-file con le informazioni sul modello e sulle grandezze calcolate dal solver.

 

Risultati

Per analizzare i risultati bisogna aprire il FLD-file con SCT-Postoprocessor, da qui possono  essere mostrate tutte le grandezze calcolate ed eseguire calcoli su di esse, è inoltre possibile esportare foto e video del modello. 

Nello studio svolto, durante le fasi di post-processor sono stati analizzati i risultati riguardanti i flussi di calore effettivi che attraversano i vari materiali, le pressioni e la velocità del liquido refrigerante all’interno della water jacket e infine le temperature. Di seguito vengono riportati i risultati ottenuti.

 

Flussi di calore

Nella figura 5 è possibile osservare l’andamento dei flussi di calore all’interno del motore. I tubi che si vedono nell’immagine sono i condotti di scarico dei tre cilindri. Le zone dove c’è un flusso di calore più intenso sono le porzioni di materiale comprese tra i cilindri, nella parte alta delle camere di combustione. Nelle suddette zone la water jacket non arriva a prelevare calore, come sarà possibile vedere in seguito.

 

Fig. 5 - Flussi termici

 

Pressioni

Il modello nel caso della figura 6 è posizionato in modo da vedere frontalmente le bocche di ingresso dei due differenti circuiti che compongono la water jacket, mentre nel lato destro trovano sede le uscite dei due circuiti. In queste ultime la pressione è nulla perché è stata impostata nelle condizioni al contorno. Mentre negli ingressi la pressione è leggermente maggiore per via delle perdite di carico all’interno del circuito. Si può notare anche una pressione leggermente più alta all’ingresso del circuito di testata.

Fig. 6 - Mappa delle pressioni del liquido di raffreddamento

Velocità

Nella figura 7 sono state visualizzate le streamline. Qquesto è uno strumento che disegna dei tubi dove sono presenti linee di flusso. I colori danno un’informazione aggiuntiva sulla velocità puntuale del fluido.

Fig. 7 - Linee di flusso con le velocità del liquido

Grazie a questo strumento è possibile osservare immediatamente dove c’è ristagno di fluido come ad esempio nel primo condotto che fornisce liquido refrigerante alla testata. Anche in questo caso il rosso identifica le porzioni di water jacket con velocità maggiore.

 

Temperature

La figura 8 visualizza le temperature della guarnizione e della testata. Le parti più calde si trovano nella superficie della guarnizione dal lato del monoblocco, nelle zone comprese tra i cilindri, dove non arriva la water jacket. Si vede una temperatura leggermente più alta nella deck del primo cilindro, questo è dovuto al cattivo funzionamento della water jacket come si può vedere nella figura 7.

Fig. 8 - Temperature nella guarnizione di testata

Conclusioni

Superate le prime difficoltà nel reperire informazioni e dati utili all’analisi eseguita, lo studio è stato molto utile per investigare su problemi relativi al funzionamento della water jacket. L’analisi ha messo in luce i problemi fluidodinamici della water jacket, soprattutto nel circuito di raffreddamento della testata. Il fluido subito dopo l’ingresso subisce una forte accelerazione che compromette il raffreddamento della testata nella zona del primo cilindro, e in parte nel scondo cilindro. 

Per quanto riguarda il circuito di raffreddamento del monoblocco gli unici problemi sono nelle zone di passaggio tra i cilindri. Dove non arriva il liquido si raggiungono elevate temperature che potrebbero compromettere il corretto funzionamento del motore. Temperature troppo alte possono ridurre l’effetto lubrificante dell’olio, inoltre possono danneggiare la guarnizione annullando l’ermeticità del motore, motivo per cui viene inserita la suddetta guarnizione. 

 

Riferimenti bibliografici

D. M. Baker, D. N. Assans, 1994, “A methodology for coupled thermodynamic and

Heat transfer analysis of a diesel engine”, Applied Mathematical Modelling, Volume 18,

Issue 11, 1994.

G. Ferrari, settembre 1996, Motori a combustione interna, Edizioni Il Capitello.

D. Lucchesi, 1986, Corso Di Tecnica Automobilistica 1, Hoepli.

A.V. Paratwar, D.B. Hulwan, 2013 -“Surface Temperature prediction and thermal analysis of

Cylinder head in diesel engine” - International Journal of Engineering Research and

Applications (IJERA), volume 3, issue 4, 2013.

Software Cradle Co. Ltd., 2013, Basics of CFD Analysis User’s Guide.

Software Cradle Co. Ltd., 2013, Operation Manual User’s Guide.

D. C. Wilcox, 1994, second Printing, Turbulence Modeling for CFD, DCW Industries, Inc.

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