Modifiche geometria della camera di combustione

Il Dipartimento di Energetica dell’Università di Pisa studia da diversi anni l’iniezione diretta nei motori due tempi ad A.C.. Questi studi, sia numerici che sperimentali, hanno portato anche all’ottenimento di una stratificazione della carica efficace e stabile in tutte le condizioni operative del motore [1-7]. In particolare sono stati individuati i seguenti fattori strategici:

 L’iniezione controcorrente favorisce la diffusione del combustibile in condizioni di iniezione anticipata e la localizzazione della carica in caso di iniezione ritardata;

 Una geometria simmetrica della camera di combustione permette di ottenere un campo di moto anch’esso simmetrico; ciò facilita il mantenimento di caratteristiche simili del campo di moto al variare del regime di rotazione del motore, sostenendo una stratificazione stabile;

 Un moto di tumble mantenuto durante tutta la fase di compressione favorisce la risalita delle gocce e del vapore di combustibile dal pistone verso la testa della camera. Agli alti carichi tale moto porta alla realizzazione di una miscela di titolo omogeneo e ai bassi consente di indirizzare il percorso del vapore di combustibile che segue fedelmente le linee di corrente del tumble. Se tale campo di moto è stabile, ossia possiede caratteristiche simili ad ogni regime di rotazione, la nuvola di combustibile può essere sempre guidata verso gli elettrodi della candela. Ovviamente è necessario

38 settare il corretto anticipo di iniezione per ogni regime di rotazione. La camera di combustione deve essere inoltre disegnata in modo opportuno al fine di evitare la distruzione del tumble quando il pistone risale verso il PMS;

 L’effetto squish deve essere tale da non sparpagliare il vapore di combustibile lontano dalla zona della candela verso la periferia della camera di combustione quando il pistone si avvicina al PMS. Vedremo successivamente come un piccolo deflettore sul cielo del pistone aiuti a sfruttare al meglio lo squish.

Di seguito viene esposto un breve riassunto degli studi numerici condotti negli ultimi anni presso il Dipartimento di Energetica dell’Università di Pisa che hanno condotto alla realizzazione del prototipo oggetto di questa tesi [8, 9].

Inizialmente venne presa in considerazione una configurazione con testa assialsimmetrica e pistone convenzionale, valutandone il campo di moto (vettori velocità della fase gassosa) e le mappe del rapporto di equivalenza (valore locale del rapporto aria- benzina rispetto al titolo stechiometrico). Nella figura 2.2 è riportato il rapporto di equivalenza e il campo di moto ottenuto a 6000 giri/min con questa configurazione, che però fornì una stratificazione insufficiente e troppo variabile col regime di rotazione.

Fig. 2.2 - Rapporto di equivalenza e campo di moto nel caso di motore con testa assialsimmetrica e pistone di forma convenzionale (6000 giri/min;1/3 del carico; 20° prima del

39 Successivamente venne studiata una configurazione con testa a berretto di fantino e pistone di forma convenzionale (fig. 2.3), che fornì risultati addirittura peggiori rispetto al caso precedente.

Fig. 2.3 - Rapporto di equivalenza e campo di moto nel caso di motore con testa a berretto di fantino e pistone di forma convenzionale (6000 giri/min; 1/3 del carico; 20° prima del PMS ).

Risultati migliori vennero raggiunti con testa a berretto di fantino raccordata con la corona di squish e con un pistone non convenzionale dotato di bowl e di un piccolo deflettore (fig. 2.4).

Fig. 2.4 - Pistone con piccolo deflettore

Questa configurazione garantiva un sostanziale miglioramento per quanto riguarda la qualità della stratificazione, che risultava anche più stabile al variare del regime di rotazione; infatti il raccordo garantisce un moto di tumble con un contenuto energetico

40 maggiore, più difficile da distruggere, mentre il deflettore consente di deviare lo squish, che così, sommato al tumble, indirizza il combustibile verso gli elettrodi della candela.

Fig. 2.5 - Rapporto di equivalenza e campo di moto nel caso di motore con testa a berretto di fantino modificata e pistone di forma non convenzionale (3000 giri/min;1/3 del carico; 20° prima del PMS )

Questa configurazione forniva ottimi risultati ai bassi carichi e bassi regimi di rotazione (fig. 2.5), tuttavia ai regimi superiori una grande quantità di combustibile risultava ancora confinata nella parte inferiore della camera di combustione, lontano dalla candela ed intrappolata nella corona di squish (fig. 2.6).

Fig. 2.6 - Rapporto di equivalenza e campo di moto nel caso di motore con testa a berretto di fantino modificata e pistone di forma non convenzionale (6000 giri/min;1/3 del carico; 20°

prima del PMS )

Ulteriori modifiche alla geometria della testa ed allo stantuffo hanno infine portato alla definizione geometrica della camera oggetto di questa tesi. Al pistone venne aggiunto un

41 ulteriore piccolo deflettore, che consente di raccogliere in modo migliore il carburante nella zona della candela, e da una bowl analoga alla precedente (fig. 2.7).

Fig. 2.7 - Pistone con geometria definitiva

I risultati delle simulazioni con la geometria definitiva, eseguite a vari regimi rotazionali e vari carichi, hanno evidenziato che la stratificazione della carica è buona ai bassi regimi e si mantiene sufficiente agli alti.

Fig. 2.8 - Campo di moto a 350°

In figura 2.8 notiamo come l’ultima geometria di camera di combustione realizzata presenti, in corrispondenza del deflettore, tumble ed effetto squish indirizzati verso la testa della camera. Questo è favorevole alla realizzazione della stratificazione della carica nella zona della candela; infatti con un tale campo di moto si riesce ad evitare la diluizione della

42 miscela nella zona d’accensione ed al tempo stesso a far risalire la nuvola dal pistone verso l’alto.

Le mappe relative al rapporto di equivalenza presentano ottimi risultati dal punto di vista della stratificazione della carica: a 350° (fig. 2.9) una nuvola di miscela con titolo quasi stechiometrico è localizzata in zona candela.

Fig. 2.9 - Rapporto di equivalenza nel caso del modello con geometria definitiva (350°)

La realizzazione della testa e del pistone speciale è stata affidata alla ditta EDI di Pontedera. Inizialmente venne utilizzato uno stantuffo con una tacca sulla cresta del deflettore (fig. 2.10), per paura di un contatto tra l’elettrodo di massa della candela e la cresta stessa.

43 Misurazioni effettuate presso l’officina del Dip. di Energetica hanno dimostrato che in realtà tra elettrodo e la cresta resta più di 1 mm. Ne deriva che la tacca è superflua, anzi è solo dannosa poiché modifica la geometria del cucchiaio sul cielo del pistone in una zona particolarmente critica ai fini della formazione del campo di moto per ottenere la stratificazione della carica. E’ stato perciò fatto realizzare un nuovo pistone privo di tacca, quello utilizzato nella presente sperimentazione (fig. 2.11).

Fig. 2.11 - Pistone utilizzato nelle attuali prove

Anche la testa presenta notevoli modifiche rispetto a quella originale per permettere l’alloggiamento dell’iniettore e dei sensori di pressione e temperatura, indispensabili per una adeguata campagna sperimentale (fig. 2.12).

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