Al fine di realizzare la simulazione motoristica si è resa necessaria la creazione di un modello tridimensionale che rappresenti la geometria del motore. Inizialmente, per disporre di dati e rilievi geometrici di massima utili a tale fine, sono stati passati in rassegna precedenti studi svolti nel Dipartimento, anche in collaborazione con altri enti di ricerca.
Figura 4.1 - Dominio fluido per studio GDI su motore Lamborghini V12 (Musu et al. - dip. Energetica - 2007).
In una prima fase si è valutata la possibilità di ricorrere ad una geometria che, pur mantenendo alcune quote fondamentali (corsa, alesaggio, rapporto di compressione), potesse godere appunto di una maggior generalità.
In quest’ottica è stata ipotizzata una geometria molto semplice con iniettore e candela centrali e stantuffo piatto, considerando anche il piccolo interstizio tra stantuffo, cilindro e primo segmento di tenuta. Questo piccolo spazio, oltre ad
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influire sul volume totale, ha una notevole importanza in applicazioni ad accensione comandata perché può essere fonte di emissione di idrocarburi incombusti; queste zone infatti non vengono raggiunte dal fronte di fiamma e non sono interessate da una efficace combustione.
Figura 4.2 - Primo modello semplificato e provvisorio del motore, PMS e PMI.
In una configurazione del genere è chiara la natura ‘spray-guided’ del motore che verrebbe simulato.
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L’iniettore centrale, posto vicino alla candela, è tipico di questa strategia per la quale l’influenza dei moti di swirl e tumble e la forma del cielo dello stantuffo sono pressoché ininfluenti (si rimanda al Capitolo 1 per approfondimenti).
Risulta evidente che simulazioni di questo genere sarebbero applicabili ad un’intera famiglia di motori spray guided, prescindendo da buona parte dei dettagli costruttivi come ad esempio la testata e i condotti di aspirazione/scarico. D’altro canto, gli iniettori simulati nell’attività precedente, realizzati e testati da Continental nell’ambito di questo progetto, nascono con taratura dello spray dedicata al motore disponibile presso EDI-Progetti per i test al banco (motore di tipo spray-wall-guided con iniettori laterali fortemente inclinati).
Con questa particolare conformazione dello spray si avrebbero risultati del tutto insoddisfacenti nel modello generico ipotizzato a causa della differente strategia di stratificazione della carica.
Si è quindi dovuto passare alle reali geometrie del motore.
Numero di cilindri 4 Cilindrata 1742 cm3 Alesaggio 83 mm Corsa 80.5 mm Cilindrata unitaria 435.5 cm3 Lunghezza biella 148 mm Rapporto di compressione 9.5
Inclinazione iniettore laterale 30°
Tutte queste problematiche, individuate sin da inizio progetto, hanno causato una partenza anticipata di 3 mesi dell’attività stessa e una dilatazione finale di ulteriori 3 mesi al fine di completare le complesse attività di simulazione della formazione di inquinanti confrontandole con le prove al banco del motore reale (OR2).
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Figura 4.3 - Mesh del motore con condotti e valvole.
La modellazione, meshatura e impostazione dei moving di pistone/valvole è stata interamente realizzata tramite codice AVL Fire, anche avvalendosi di una consulenza tecnica esterna.
Il dettaglio delle impostazioni del Solver Steering File sono riportate nella Figura 4.5, a partire dal modello di combustione utilizzato, dalle condizioni al contorno, ai modelli per le emissioni di particolato e NOx. Gli spray modellati nel Capitolo 3 sono stati quindi implementati nel modello motoristico al fine di valutarne le prestazioni in termini di emissioni.
Il timing/profilo di iniezione e l’anticipo di accensione sono stati direttamente rilevati e misurati sul motore al banco prova.
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Figura 4.4 - Spray, visualizzazione 3d in camera di combustione, fase di compressione.
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È stata simulata la condizione di 2840rpm e 6 bar BMEP, in accordo con i test pianificati sul motore reale.
Figura 4.6 - Confronto tra pressione indicata e simulata.
Sono stati inoltre testati differenti anticipi e ritardi di iniezione da -20° a +20° (Figura 4.7 e Figura 4.8) e diverse leggi di iniezione (Figura 4.9 e Figura 4.10) per valutarne l’impatto sulla formazione di particolato.
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Figura 4.8 - Mean Soot Mass Fraction varying the injection law.
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Figura 4.10 - Mean Soot Mass Fraction varying the injection time.
Una legge di iniezione singola con 20° di ritardo rispetto al riferimento, mostra i migliori risultati in termini di emissioni di particolato e di NOx. Più dettagliatamente, si vede che una iniezione ritardata di 20° riduce il “Mean Soot Mass Fraction” di circa il 50% e il “Mean NOx Mass Fraction” di circa il 54%. Inoltre, fare iniezioni multiple non dà alcun beneficio in termini di emissioni rispetto ad avere una singola iniezione a ciclo.
Una ulteriore validazione del modello è stata operata utilizzando la pressione interna al cilindro rilevata al banco prova tramite candela strumentata e confrontandola con quella simulata. A 2840rpm e 6 bar BMEP, si sono ottenuti scostamenti massimi di pochi punti percentuali, indice di una simulazione appropriata della combustione reale.
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Figura 4.11 - Emissioni particolato vs SOI / visualizzazione 3d del particolato, fase di espansione.
In accordo con le prove motoristiche le emissioni di particolato dell’iniettore xl31.25 risultano inferiori, e potrebbero ridursi ancora con valori maggiori della pressione di iniezione in questo particolare punto operativo del motore. Dalla visualizzazione 3d dei risultati si osservano le zone in cui il particolato si forma e permane a fine combustione. Si tratta di zone periferiche vicino alle pareti del cilindro che erano state bagnate direttamente durante la fase di iniezione.
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Capitolo 5
5. Conclusioni
Le simulazioni di spray mostrano un primo approccio alla modellazione CFD di iniettori per applicazioni GDI. Nonostante la semplicità e la semplificazione delle ipotesi, questo modus operandi consente di impostare rapidamente il modello CFD con risultati piuttosto soddisfacenti rispetto ai dati sperimentali. Inoltre, dalle simulazioni degli iniettori posizionati all'interno di un motore reale, i risultati ottenuti sono compatibili con quelli rilevati durante i test da banco. È stato anche possibile fare un confronto tra i due iniettori per quanto riguarda le emissioni di NOx e di particolato quando i parametri di iniezione sono cambiati. Per ottenere una maggiore fedeltà e precisione, tuttavia, sono necessari i disegni dettagliati della sede dell'iniettore e tempi di impostazione e calibrazione molto più elevati. In conclusione, è stato validato un processo in cui, partendo dalla fluidodinamica interna di un iniettore, passando attraverso l’analisi dello spray e il suo comportamento in congiunzione con il motore, le emissioni di un motore possono essere accuratamente estese con un basso sforzo computazionale.
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Parte II
Analisi termica del
motore HCPC
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