Le configurazioni studiate sono state individuate posizionando progressivamente il punto di iniezione dalla posizione originale, sempre più a valle, fino all’iniezione diretta nel cilidro. In figura 3.13 è stato riportato per chiarezza dell’immagine, un solo cilindro dei sei presenti. Le configurazioni 4, 5 e 6 complete sono il risultato della ripetizione del posizionamento degli iniettori lungo tutti e sei gli identici percorsi che conducono ai cilindri.
Figura 3.12: Schema del motore completo riportato nella configurazione 0.
Per tutte le configurazioni studiate è stata scelta come temperatura di iniezione per il metano liquido i 108 K. Questo valore è stato individuato come scelta di compromesso tra la necessità di voler sfruttare il maggior salto entalpico possibile e la difficoltà di stoccare il combustibile ad una temperatura troppo bassa. Tuttavia va considerato anche che, per future applicazioni di questo tipo, si dovrà mantenere un livello maggiore di attenzione nei riguardi della temperatura di stoccaggio nel serbatoio. Ciò perchè, scegliendo di iniettare metano liquido, gli eventuali BOG prodotti, non sarebbero riutilizzabili così come avveniva nei motori ad iniezione gassosa. Di conseguenza l’evaporazione indesiderata di metano gassoso dal serbatoio criogenico dovrebbe o venire stoccata a bordo con ovvie problematiche di spazio, o liberato in atmosfera con ampie problematiche ambientali. In alternativa, una piccola quantità di gas può essere iniettato a monte del compressore e recuperato in questo modo durante il funzionamento, ma comunque, anche con questa soluzione, rimane una grandezza da minimizzare. Si è scelto pertanto di operare con un piccolo margine di sicurezza in termini di temperatura, che consentirebbe, qualora si presentasse una fase di riscaldamento del serbatoio imprevista, di rimanere sempre sotto la condizione liquida del fluido all’interno.
3.4.1 Configurazione Originale
La configurazione di base presa a riferimento (nel testo anche chiamata Conf 0) vede l’iniezione di metano gassoso a monte del sistema di sovralimentazione mediante il blocco
InjAF-RatioConn collegato al condotto di ingresso al compressore. In questa condizione
Figura 3.13: Posizioni degli iniettori nelle diverse configurazioni studiate.
viene simulato in condizioni stazionarie con una velocità costante di 1800 RPM a 4 carichi diversi: pieno, 75%, 50% e 25% del pieno carico.
3.4.2 Configurazione 1: Iniezione indiretta con metano liquido
La configurazione 1 (nel testo anche chiamata Conf 1) si distingue dalla Conf 0 per il semplice fatto di introdurre al posto del metano gassoso, quello liquido, iniettato alla temperatura di 108 K. Il layout dell’impianto si mantiene quindi inalterato, con l’iniettore posizionato a monte del compressore ed il compressore originario. A causa della modalità con cui è stato modellato l’intercooler gli effetti della modifica della condizione di iniezione saranno percepiti solo nei blocchi a monte di esso. Per questo motivo ci si concentra essenzialmente sugli effetti relativi alle variazioni delle prestazioni del compressore operante con due fluidi a condizioni differenti. L’iniettore è modellato dal blocco InjAF-RatioConn mentre il controllo del carico modifica le condizioni operative in funzione del valore target scelto di BMEP. Si analizzano i 4 regimi di carico originali.
3.4.3 Configurazione 2/3: Iniezione indiretta a cavallo della valvola a
farfalla
La configurazione 2 e la configurazione 3 (nel testo Conf 2 e Conf 3) sono da indagare in maniera combinata. E’ stato ritenuto opportuno valutare se ci fossero dei benefici significativi tra l’iniezione a monte e a valle della valvola a farfalla nelle configurazioni di carico parzializzato con iniezione di metano liquido. L’interesse nasce proprio dalla variazione delle condizioni fisiche della miscela. Gli iniettori sono tutti modellati dal blocco
InjAF-RatioConn.
Anche per questa configurazione si conserva il sistema di controllo del carico originale che consente di operare i confronti a parita di pressione media effettiva. Viene invece modificata la mappa del compressore per far si che esso lavori alla medesima efficienza anche con una portata minore, ridotta del contributo del combustibile ora iniettato più a valle. Si analizzano il regime di carico del 25%.
3.4.4 Configurazione 4: Iniezione indiretta nel collettore di aspirazione
relativo ad ogni cilindro
L’iniezione indiretta, in questa configurazione, è gestita da un numero superiore di iniettori rispetto al primo settaggio, ovvero uno per cilindro collocato nei condotti immediatamente prima della ramificazione che conduce alle due valvole di aspirazione. Si passa, quindi, dall’utilizzo di un unico iniettore a sei, con un inevitabile complicazione del sistema sia da un punto di vista del controllo, che di affidabilità e costo. Tuttavia questi ultimi tre non sono parametri significativi per questo lavoro di tesi e per tale ragione è stato scelto di analizzare anche questa casistica.
Gli iniettori sono tutti modellati dal blocco InjAF-RatioConn. La valvola e il relativo controllore vengono eliminati. Alla farfalla viene sostituito un condotto di sezione circolare ed analizzato il solo caso di WOT (Wide Open Throttle).
3.4.5 Configurazione 5: Iniezione indiretta nei condotti delle valvole.
La configurazione più complessa tra tutte, Conf 5, vede l’utilizzo di 12 iniettori per motore. Questa soluzione costruttiva non è tra le più utilizzate nelle applicazioni reali per ovvie ragioni di complessità eccessiva del sistema. Tuttavia, risulta particolarmente interessante per questo studio in relazione al fatto che in questo modo si riesce ad influenzare le condizioni di iniezione esattamente in prossimità delle bocche di aspirazione delle valvole. Inoltre l’utilizzo di iniettori più piccoli permette di incrementare la precisione di iniezione riducendo la variabilità ciclica del proceso di combustione legata ad un impreciso calcolo di iniezione.
Gli iniettori sono ancora tutti modellati dal blocco InjAF-RatioConn ed anche in questo caso il controllo viene semplificato ed analizzato il carico di piena ammissione.
3.4.6 Configurazione 6: Iniezione diretta
L’iniezione diretta richiede l’uso di un template differente da quello utilizzato nelle altre configurazioni. Il programma infatti non consente il collegamento diretto del blocco InjAF-
RatioConn al cilindro. E’ stato quindi scelto un iniettore molto simile, InjAFSeqConn, che
richiede poche altre informazioni aggiuntive: viene richiesto il nome dell’elemento di flusso a cui fare riferimento per il valore di portata su cui basare l’iniezione in relazione al A/F; viene inoltre specificato il tasso di iniezione che può essere stimato dalla formula 3.24.
˙mDelivery(g/s) = ÷v· flref(kg/m3) · RPM · VD(l) ·F
A·
6
nCyl(P ulseW idth) (3.24)
Nella formula 3.24, nCyl corrisponde al numero dei cilindri del motore, P ulseW idth è la durata dell’iniezione espressa in angoli di manovella, mentre il rendimento volumetrico viene richiesto in termini frazionari.
Il template, differetemente da quello precedente, possiede anche una cartella di timing in cui specificare i valori per la sincronizzazione temporale dell’iniezione espressa in angoli di manovella dal TDC di combustione.
Il numero degli iniettori torna al valore minimo indispensabile per operare un’iniezio- ne diretta di un motore a sei cilindri.
La mappa del compressore è stata anche qui opportunamente modificata al fine di ottenere una macchina che lavori sempre in un range stretto di valori di efficienza.
Anche in questo caso il controllo viene semplificato ed analizzato il pieno carico.
Sono state studiate diverse casistiche della medesima configurazione definite con la varia- zione dell’angolo di inizio iniezione e della durata di iniezione così come riportato in tabella 3.2.
Durata dell’iniezione 40°(1) 60°(2) 80°(3)
Angolo di inizio iniezione
380° (A) A-1 A-2 A-3
400° (B) B-1 B-2 B-3
420° (C) C-1 C-2 C-3
440° (D) D-1 D-2 D-3
600° (E) = IVC E-1 E-2 E-3
Tabella 3.2: Totalità delle simulazioni eseguite.