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INDICE
INTRODUZIONE
CAPITOLO 1
Il motore a due tempi ad accensione comandata
1.1
Il ciclo operativo
1.2
Vantaggi dei motori a due tempi
1.3
Problematiche dei motori due tempi ad accensione comandata
1.4
Iniezione diretta e stratificazione della carica nei motori 2T ad A.C.
1.5
Sistemi di iniezione diretta del combustibile nei motori 2T ad A.C.
1.5.1 Sistemi air-assisted
1.5.2 Sistemi single fluid
1.6
Panoramica delle tipologie di iniettori
1.6.1 Iniettori a solenoide
1.6.2 Iniettori piezoelettrici
CAPITOLO 2
Allestimento prototipo e sistemi ausiliari
2.1 Presentazione motore GDI
2.2 Modifiche geometria della camera di combustione
2.3 Modifica rapporto di compressione
2.4 Gestione elettronica del motore
2.5 Sistema di accensione
2.6 Sistema di pressurizzazione del combustibile
2.7 Sistema di raffreddamento
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2.8 Posizionamento del motore al banco
CAPITOLO 3
Strumentazione sala prove
3.1 Descrizione della strumentazione
3.2 Freno dinamometrico
3.3 Sistema per il rilevamento dei consumi
3.4 Sistemi di analisi delle emissioni
3.5 Trasduttore di pressione
3.6 Sensore di posizione angolare dell’albero motore
3.7 Strumentazione per l’acquisizione dei dati motore
CAPITOLO 4
Caratterizzazione nuovo iniettore
4.1 Scelta dell’iniettore per il prototipo
4.2 Caratterizzazione dinamica iniettore
4.2.1 Campionatura diretta tramite bilancia di precisione
4.2.2 Misura con bilancia gravimetrica
4.3 Prove al banco con il nuovo iniettore
CAPITOLO 5
Prove sperimentali a piena apertura della valvola a
farfalla
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5.2 Prestazioni ed emissioni inquinanti
5.3 Valori di anticipo di accensione ed iniezione
5.4 Rilevamento della temperatura allo scarico
CAPITOLO 6
Studio sulla parzializzazione
6.1 Introduzione
6.2 La parzializzazione dell’aria di aspirazione
6.3 Descrizione della strumentazione per parzializzare
6.3.1 La valvola a farfalla
6.3.2 Il controllo motorizzato della valvola a farfalla
6.4 Prove a 1/2 del carico massimo
6.4.1 Risultati delle prove in parzializzato a mezzo carico
6.4.2 Confronto
6.4.3 Valori di anticipo accensione-iniezione
6.5 Prove a 1/4 del carico massimo
6.5.1 Risultati delle prove in parzializzato a un quarto carico
6.5.2 Confronto
6.5.3 Valori di anticipo accensione-iniezione
6.6 Strategie di controllo della valvola a farfalla
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CAPITOLO 7
Analisi monodimensionale
7.1 Introduzione
7.2 Ipotesi alla base del modello monodimensionale
7.3 Principali elementi del software
7.3.1 Elemento pipe
7.3.2 Elemento plenum
7.3.3 Elemento cylinder
7.4 Creazione del modello
7.5 Confronto dei segnali di pressione
7.6 Risultati ottenuti in parzializzato
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INTRODUZIONE
Il presente lavoro di tesi rientra nell’ambito di una tematica di ricerca che da anni il Dipartimento di Energetica dell’ Università di Pisa conduce sui possibili sviluppi dei motori a due tempi ad accensione comandata. Mentre fino a pochi anni fa questo tipo di motore è stato ampiamente impiegato nelle applicazioni motociclistiche medio-piccole, oggi il suo utilizzo è sempre più problematico: la crescente sensibilità verso l’impatto ambientale ha portato alla codifica di limiti di emissioni sempre più stringenti che il motore 2T tradizionale difficilmente riesce a rispettare. Ciò si deve ai noti problemi del motore a due tempi tradizionale ad accensione comandata e miscela precarburata, ossia:
Elevata emissione di idrocarburi incombusti allo scarico, causata dalla perdita di carica fresca durante la fase di lavaggio;
Elevate emissioni di CO e HC ai bassi carichi, causate dalle mancate o incomplete combustioni che si verificano in queste condizioni a causa dell’ elevata percentuale di gas residui che rimane intrappolata nel cilindro dopo la chiusura della luce di scarico.
Ad essi si aggiunge, per gli stessi motivi, un elevato consumo di combustibile.
Le soluzioni da adottare per risolvere questi inconvenienti sono fondamentalmente due:
Lavaggio del cilindro con sola aria ed iniezione diretta del combustibile a scarico chiuso o in procinto di chiudersi. Così facendo le perdite dallo scarico saranno di sola aria, con un drastico abbattimento delle emissioni di idrocarburi incombusti;
Stratificazione della carica per migliorare la combustione ai bassi carichi: essa consiste nella creazione di una miscela aria-combustibile stechiometrica solo in prossimità della candela, mentre allontanandosi avremo una miscela sempre più magra, fino ad avere addirittura solo aria, oltre ad una certa percentuale di gas combusti. Per effettuare questa strategia occorre effettuare iniezioni ritardate (late injection) e far sì che all’interno del cilindro siano presenti campi di moto tali da convogliare la carica in prossimità della candela.
6 Il Dipartimento di Energetica dell’Università di Pisa ha sviluppato un motore ad iniezione diretta liquida e carica stratificata, con carter pompa e lavaggio a loop. Il prototipo è stato derivato dal propulsore PUREjet Piaggio riprogettando e realizzando ex novo tutto il sistema di iniezione, la testata e lo stantuffo, al fine di ottenere una stratificazione della carica stabile al variare del numero di giri e del carico. A tal fine ci si è avvalsi sia di attività sperimentali che numeriche con codici di calcolo tridimensionali.
Nel presente lavoro di tesi è stata effettuata una serie di prove sperimentali volte all’ottimizzazione del comportamento del motore ai medi-bassi carichi. Tale comportamento è stato anche analizzato utilizzando un codice numerico monodimensionale.
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CAPITOLO 1
Il motore a due tempi ad accensione comandata
1.1 Il ciclo operativo
Il motore a due tempi ad accensione comandata (2T ad A.C.) rientra nella categoria dei motori volumetrici a combustione interna. In esso un ciclo completo si svolge in un giro di albero motore, ovvero in una corsa discendente ed una ascendente dello stantuffo.
Per ragioni di ordine tecnico ed economico nei motori per uso motociclistico la soluzione da tempo affermatasi è quella del tipo “carter-pompa” ed in particolare con lavaggio a “loop” (fig. 1.1).
Utilizzando tale soluzione si ottiene una notevole semplificazione meccanica, per l’assenza sia di valvole a fungo comandate, sia di un compressore esterno per il lavaggio del cilindro e l’immissione della carica fresca. E’ infatti il carter stesso a svolgere la funzione di compressore (da qui il termine “carter-pompa”), sfruttando il volume variabile di alloggiamento del manovellismo delimitato superiormente dalla superficie inferiore del pistone. Quando questo si muove verso il punto morto superiore (PMS), nel carter viene a
8 crearsi una depressione che richiama carica fresca, la quale viene poi compressa ed immessa nel cilindro una volta che il pistone, nel suo moto discendente, scopre aperture ricavate sul cilindro dette “luci”.
Non ci sono quindi valvole a fungo ma semplici aperture sulla superficie del cilindro, che vengono aperte o chiuse dallo stantuffo durante il suo movimento. Distinguiamo fra luci di aspirazione che permettono l’ingresso della carica fresca nel carter, luci di lavaggio che mettono in comunicazione il carter con il cilindro per potervi portare la carica fresca e luci di scarico che servono all’espulsione dei gas combusti.
Analizziamo adesso le singole fasi del ciclo partendo, come scelta arbitraria, dall’istante in cui il pistone si trova al PMS e la scintilla è appena scoccata. In ordine abbiamo:
Combustione Espansione Scarico spontaneo
Scarico pulsato e lavaggio Aspirazione e compressione
Durante il moto discendente del pistone (fig. 1.2), le prime luci che vengono scoperte sono quelle di scarico dalle quali per scarico spontaneo esce la maggior parte dei gas combusti, data la grande differenza di pressione con l’ambiente di scarico.
9 Contemporaneamente il moto discendente del pistone ha compresso la carica fresca precedentemente aspirata nel carter. La sovrappressione data alla carica fresca è di circa 0,3 bar e consente il travaso della carica dal carter al cilindro, non appena vengono aperte le luci di lavaggio (poste ad una quota inferiore a quelle di scarico). I gas freschi immessi nel cilindro, nell’ipotesi puramente teorica di lavaggio ideale, espellono e sostituiscono i gas combusti rimasti dopo lo scarico spontaneo. Quando il pistone è al PMI (fig. 1.3), sempre nell’ipotesi di lavaggio ideale, il cilindro è completamente riempito di carica fresca.
Fig. 1.3 – Pistone al PMI Fig. 1.2 – Inizio moto discendente
10 A questo punto inizia la corsa ascendente dello stantuffo (fig. 1.4) durante la quale il bordo superiore del pistone va a chiudere le luci di lavaggio e di scarico, dando inizio alla compressione della carica.
Proseguendo con la risalita il lembo inferiore del pistone apre poi le luci di aspirazione (fig. 1.5), richiamando la carica fresca dal collettore di aspirazione per il ciclo successivo.
Infine, con qualche grado di anticipo di albero motore rispetto al PMS, avviene la scintilla
della candela che innesca la combustione dando inizio ad un nuovo ciclo. Fig. 1.5 – Pistone al PMS
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1.2 Vantaggi dei motori a due tempi
I principali vantaggi del motore a due tempi sono la sua elevata potenza specifica e, nel caso della soluzione con carter pompa, la sua notevole semplicità costruttiva, poiché, a differenza del motore a 4 tempi, non è presente tutto il sistema di distribuzione (valvole a fungo, alberi a camme, etc).
In linea teorica il motore a 2 tempi godrebbe anche di una maggior economia di consumi rispetto al 4 tempi soprattutto in condizioni di carico parzializzato, poiché le perdite di pompaggio decrescono al diminuire del carico, al contrario del 4 tempi (fig. 1.6).
Fig. 1.6 - Perdite per pompaggio
Infatti nel motore a 4T per ridurre la portata del fluido motore è necessario adottare in aspirazione una forte laminazione che comporta dissipazione di energia a carico del propulsore. In un due tempi a carter pompa invece, grazie all’ampio volume del carter-pompa, la laminazione necessaria è modesta e le perdite ad essa relative sono compensate ad usura dal minor lavoro richiesto per la compressione della carica [4].
Un ulteriore elemento a favore dell’efficienza del due tempi a carter pompa è la minore entità delle perdite per attrito, dovuta allo schema meccanico semplificato che lo caratterizza; ciò permette di avere, a parità di pressioni medie indicate (pmi), delle pressioni medie effettive maggiori rispetto a un quattro tempi e quindi un rendimento meccanico maggiore (nel campo dei piccoli motori a quattro tempi, il trascinamento dell’apparato di distribuzione e della pompa dell’olio incide in maniera sensibile). Tale vantaggio nel rendimento rimane, sia pur ristretto, anche nella realtà, pur considerando la minore pmi del 2T.
Altro vantaggio del motore a 2T ad A.C. è la sua intrinseca bassa produzione di NOx, inquinante la cui formazione è proporzionale alla pressione parziale di ossigeno ed alla
12 temperatura massima raggiunta. Infatti, in un motore a due tempi vi è un’elevata percentuale di gas combusti che rimane nel cilindro a fine fase di lavaggio (EGR interno), funzionando da inerte per la combustione del ciclo successivo. Si ha quindi una limitazione sia della temperatura di combustione, sia della pressione parziale dell’ossigeno, con conseguente riduzione nella formazione di NOx [5].
1.3 Problematiche dei motori due tempi ad accensione comandata
I motori a due tempi ad A.C., a fronte dei vantaggi precedentemente esposti, presentano inconvenienti ben noti:
Elevate emissioni di incombusti (HC) date dal particolare processo di sostituzione della carica. Infatti durante la fase di lavaggio le luci di travaso e quelle di scarico sono entrambe aperte e quindi si verifica perdita di carica fresca dallo scarico per cortocircuito; per di più la corsa di risalita dello stantuffo provoca, fino a quando le luci di scarico non siano chiuse, l’espulsione di una parte dei gas freschi già immessi nel cilindro. Tutto ciò si manifesta soprattutto ai bassi regimi di rotazione e ad alti carichi perché in queste condizioni i tempi di sostituzione della carica sono lunghi e la carica fresca ha quindi a disposizione un tempo maggiore per raggiungere lo scarico e da lì fuoriuscire. Un’ulteriore aggravante è data dal fatto che ad alto carico le portate della carica fresca proveniente dal carter pompa sono notevoli ed ai bassi regimi di rotazione il sistema di scarico non si trova nelle condizioni di accordatura. Ovviamente le emissioni di incombusti provocano anche un maggior consumo di carburante.
Cattive combustioni e/o misfire che si manifestano ai bassi carichi quando la massa di gas residui è assai rilevante rispetto al totale della massa intrappolata; in queste condizioni i gas residui rallentano lo svolgimento della combustione e, nei casi più estremi, provocano mancate accensioni (misfire). Chiaramente quando ha luogo una mancata accensione viene espulsa carica fresca dallo scarico, incrementando così gli HC.
13 Elevate emissioni di monossido di carbonio (CO). Fondamentalmente questo è il frutto dell’ ossidazione parziale degli idrocarburi e, nei gas prodotti dalla combustione di miscele ricche, esso è presente in misura notevole perché la quantità di ossigeno non è sufficiente a ossidare completamente il carbonio presente, mentre nelle miscele magre è presente, anche se in misura inferiore, a causa del fenomeno della dissociazione del CO2 in CO causato dall’alta temperatura. Ai bassi carichi le emissioni di CO sono favorite dall’alta concentrazione di gas combusti che rallentano la combustione non dando così tempo al carbonio di ossidarsi completamente.
Presenza di lubrificante allo scarico. Nei motori due tempi a carter pompa la lubrificazione è a “perdere”, ovvero l’olio, una volta premiscelato con l’aria e la benzina, lambisce i componenti da lubrificare partecipando in parte alla combustione. A ciò si deve la tipica fumosità allo scarico dei 2T.
1.4 Iniezione diretta e stratificazione della carica nei motori a 2T ad
A.C.
Le problematiche appena esaminate hanno causato il progressivo abbandono del 2T ad A.C. in campo motociclistico, viste le sempre più stringenti normative europee in fatto di inquinamento, unite al crescente costo dei carburanti. Tuttavia ultimamente sono state sviluppate varie soluzioni in grado di risolvere i problemi di perdita di combustibile allo scarico e di cattive combustioni ai bassi carichi, permettendo il ritorno per determinate applicazioni a tale tipo di motorizzazione.
Per quanto riguarda il problema delle perdite di combustibile durante il processo di sostituzione della carica, questo può essere risolto in modo efficace facendo sì che il carburante non venga coinvolto nel processo di lavaggio. Per ottenere questo risultato occorre che il lavaggio venga effettuato con sola aria e non con miscela precarburata. Il combustibile deve quindi pervenire all’interno del cilindro solo una volta che la luce di scarico è già chiusa o sta per chiudersi. In questo modo l’inevitabile cortocircuito interesserà solo l’aria, mentre per il carburante si avrà il completo intrappolamento. La soluzione tecnica naturale è quindi l’iniezione diretta di combustibile nel cilindro.
14 L’iniezione diretta nei motori a due tempi risulta però più complicata tecnicamente che nei quattro tempi a causa dei ridotti tempi a disposizione: infatti in un quattro tempi l’intervallo angolare a disposizione per l’iniezione potrebbe ricoprire completamente la fase di aspirazione e parte di quella di compressione, per un’ampiezza angolare assai maggiore di 180° di rotazione dell’albero motore, mentre in un due tempi l’intervallo angolare può essere solo quello corrispondente a parte delle fasi di scarico pulsato e compressione, ovvero assai meno di 100° di rotazione del manovellismo. Considerando inoltre che il regime di rotazione massimo di un due tempi è superiore a quello di un quattro tempi, si comprende quanto limitati siano i tempi a disposizione per effettuare l’iniezione. A tal proposito si consideri che, a 6000 giri/min, il tempo a disposizione per l’iniezione, l’evaporazione e il mescolamento, eventi non sovrapponibili, è di 2,5 ms, se la durata angolare dell’iniezione è 90°.
A fronte delle suddette difficoltà di realizzazione, l’iniezione diretta presenta diversi vantaggi:
Completo intrappolamento del combustibile; ciò permette anche di fissare con esattezza la quantità presente nel cilindro;
Possibilità di aumentare il rapporto di compressione, in quanto l’eventualità della detonazione risulta più remota grazie alle minori temperature. Infatti il combustibile, che viene addotto direttamente in camera di combustione, evaporando sottrae calore alla massa d’aria presente nel cilindro;
Migliore risposta nei transitori: infatti nei sistemi con alimentazione indiretta, durante i transitori si determinano condizioni tali da non garantire un corretto rapporto di miscela, soprattutto a causa dei fenomeni che hanno luogo nel carter-pompa;
Possibilità di effettuare una efficiente stratificazione della carica, ossia una opportuna distribuzione della miscela fresca in camera di combustione, al fine di migliorare il processo di combustione.
La stratificazione della carica è la soluzione migliore per risolvere il problema delle incomplete/mancate combustioni ai carichi parziali. Essa si può in linea di massima ottenere sia con motori a carica premiscelata, sia con motori ad iniezione diretta.
15 Nel primo caso si devono introdurre campi di moto tali che la carica fresca si trovi in prossimità della candela ed i gas combusti restino confinati nelle zone più lontane, senza pregiudicare l’evoluzione della combustione.
Nel secondo caso, invece, dopo aver effettuato il lavaggio, viene realizzata una miscela aria-combustibile di titolo stechiometrico solo in prossimità della candela, mentre nel resto della camera di combustione si ha una miscela povera o addirittura solo aria, oltre ad una certa quantità di gas combusti. In questo modo viene facilitato l’innesco della combustione oltre che il suo progredire fino al coinvolgimento di tutto il combustibile presente.
Nei motori ad iniezione diretta un ulteriore vantaggio della stratificazione della carica è la possibilità di alimentare il motore con una miscela complessivamente povera, ottenendo così delle temperature di combustione minori, rispetto a quella con carica omogenea, e quindi una produzione minore di NOx. L’abbassamento delle temperature medie riduce anche il calore dissipato per cessione alle pareti e limita i fenomeni di dissociazione che accompagnano le reazioni di ossidazione. Si consideri inoltre l’espressione del rendimento termodinamico di un ciclo Otto teorico:
1 1 1 k
dove ρ è il rapporto di compressione, k il rapporto tra i calori specifici a pressione costante ed a volume costante del fluido evoluente. In presenza di eccesso d’aria, η aumenta perché
k assume valori più alti per l’aria rispetto alla miscela stechiometrica aria-carburante e
cresce al calare della temperatura. La presenza di un consistente eccesso d’aria potrebbe però avere risvolti negativi a bassi carichi, poiché la temperatura dei gas di scarico potrebbe divenire insufficiente per il corretto funzionamento di un eventuale catalizzatore ossidante. Fondamentale, per questo problema, è la temperatura di innesco del catalizzatore (light-off), definita come temperatura alla quale l’efficienza dello stesso è pari al 50%.
La strategia per l’ottenimento della stratificazione nei motori ad iniezione diretta è di operare un’iniezione ritardata (late injection), quindi i tempi sono ancora più ristretti di quelli considerati in precedenza. A tal proposito si consideri anche che occorre evitare al momento dell’innesco la presenza di carburante non completamente evaporato o non miscelato con l’aria, il quale darebbe origine a notevoli emissioni di particolato, CO e HC. Il bassissimo tempo a disposizione per l’iniezione costituisce quindi il maggiore problema.
16
1.5 Sistemi di iniezione diretta del combustibile nei motori 2T ad
A.C.
Come abbiamo visto, l’applicazione di sistemi ad iniezione diretta ad un motore a 2T ad A.C. incontra, a parità di condizioni, maggiori difficoltà rispetto ad un 4T in quanto si deve operare con una frequenza di iniezione doppia.
Un grande impulso alla diffusione di sistemi di iniezione diretta è stato dato dall’introduzione di sofisticati sistemi di controllo elettronico a basso costo, che permettono di utilizzare circuiti e mappature molto complesse, in grado di seguire in modo puntuale le mutevoli esigenze del motore.
Il problema del ridotto tempo a disposizione per preparare una miscela dalle caratteristiche adeguate è stato risolto con la messa a punto di sistemi di iniezione benzina ad alta pressione (≥100 bar) in grado di generare uno spray finemente polverizzato e tale da garantire un'accettabile omogeneizzazione della carica. Occorre ricordare che, nel caso si voglia abbinare l’iniezione diretta del combustibile alla stratificazione della carica, è necessaria un’attenta scelta della pressione di iniezione e delle caratteristiche dello spray (quindi del tipo di iniettore), in modo da trovare il giusto compromesso tra polverizzazione e penetrazione.
Riassumendo, le caratteristiche dello spray dipendono da numerosi fattori, di cui i principali sono:
caratteristiche geometriche dell'iniettore (generalmente decisive per avere una buona iniezione);
parametri del sistema di iniezione (pressione, posizione dell’iniettore, asse dello spray, ecc.);
condizioni fluidodinamiche e termodinamiche dell'aria all'interno della camera di combustione (grado di turbolenza, densità, …);
caratteristiche geometriche della camera di combustione (coefficiente di squish, etc.).
Nell’ottica della risoluzione delle problematiche prima esposte, è necessario un attento studio sperimentale e computazionale dell'interazione aria-spray, che tenga conto delle
17 notevoli variazioni delle condizioni all'interno della camera, ad esempio con la velocità di rotazione del motore, con il carico o con la temperatura in camera di combustione.
Numerose soluzioni sono state proposte finora da diversi costruttori ed a grandi linee possiamo distinguere tra sistemi air assisted, dove il combustibile è iniettato con l’ausilio di una certa quantità di aria, e sistemi single fluid, in cui si inietta solo il combustibile.
1.5.1 sistemi air-assisted
Si ha una iniezione diretta di miscela aria/combustibile molto ricca a pressioni assai inferiori rispetto a quelle richieste dall’iniezione liquida. Iniettando con questa modalità, data l’elevata velocità del getto (collegata all'energia cinetica), si ottiene un’ottima polverizzazione del combustibile ed un’elevata velocità di evaporazione. Per contro il sistema si presenta talvolta piuttosto complesso ed è impossibile stratificare se la pressione d’iniezione è tale da non consentire l’iniezione ritardata (occorre iniettare anche una volta che la pressione nel cilindro ha superato 5 bar). Sistemi di questo tipo sono stati proposti da Piaggio, IAPAC, Orbital, ed anche l’Università di Pisa ha sviluppato un sistema di questo tipo (Pumpless). Analizziamo ora brevemente i sistemi di iniezione appena menzionati.
1)Piaggio Fast
In questo sistema (fig. 1.7), sviluppato da una collaborazione fra la Piaggio e il Dip. di Energetica dell’ Università di Pisa, la pressione di iniezione pari a 3-4 bar è generata da un compressore a stantuffo collocato sulla testa del cilindro ed azionato dall'albero motore tramite cinghia di trasmissione [6,7].
18 Fig. 1.7 Sistema Piaggio FAST
Il combustibile proveniente dal carburatore entra nel compressore dove si forma una miscela ricca. Il vantaggio di questa soluzione sta nella possibilità di far pervenire il combustibile nel cilindro con un ritardo adeguato a dar luogo alla stratificazione della carica. Infatti, quando la differenza di pressione tra cilindro e cilindretto del compressore supera 3 bar, una valvola si apre automaticamente determinando il passaggio della miscela ricca dal compressore alla camera. Purtroppo questo motore non è mai stato sviluppato per realizzare la stratificazione, bensì per il funzionamento in carica omogenea. con gli inconvenienti di cattive combustioni ai bassi carichi, tipiche dei 2T tradizionali. Inoltre la soluzione Piaggio Fast è costruttivamente complessa e costosa.
2) Pumpless
Un sistema di iniezione a bassa pressione senza pompa di iniezione è stato sviluppato dal Dipartimento di Energetica dell’Università di Pisa [8, 9]. In questo sistema l’aria d’iniezione viene fornita direttamente dal carter pompa. In una prima versione parte dell’aria destinata al lavaggio veniva prelevata dal carter pompa attraverso una valvola rotante (con una pressione assoluta massima pari a 140 kPa) e immagazzinata in un
19 serbatoio ausiliario dove veniva mescolata alla benzina fornita da un normale elettroiniettore per iniezione indiretta, in modo da formare una miscela ricca. Questa miscela ricca veniva iniettata in seguito nel cilindro, con fasatura opportuna, attraverso una seconda valvola rotante (azionata tramite cinghia dall’albero motore) situata sulla parete del cilindro. In una seconda versione la valvola rotante del carter pompa fu sostituita con una a lamelle in modo da mantenere alta la pressione nel serbatoio ausiliario anche quando la pressione nel carter pompa cominciava a scendere. In questa maniera è possibile svincolare completamente l’iniezione dalla pressione nel carter pompa.
Questo sistema è semplice ed efficiente ma la pressione di iniezione è molto bassa e non consente un’iniezione molto ritardata impedendo così la stratificazione della carica. In fig. 1.8 è rappresentato lo schema di funzionamento di questo motore sia con la valvola rotativa che con la valvola a lamelle.
Fig. 1.8 - Sistema pumpless a) con valvola rotante al carter pompa b) con valvola a lamelle al carter pompa. 1) valvola rotante d’ingresso 2-a) valvola rotante tra carter pompa e condotto dell’aria 2-b) valvola a lamelle tra carter pompa e condotto dell’aria 3) condotto dell’aria 4) elettroiniettore 5) valvola rotante di iniezione 6) luce di iniezione.
3) Il motore a carica stratificata dell’Institut Francais du Pétrole [IAPAC]
L'IFP ha sviluppato un sistema di iniezione a bassa pressione molto simile al “pumpless” visto prima, sfruttando l'aria compressa dal carter-pompa per "assistere" l'iniezione del combustibile [10, 11]. Tale sistema, denominato IAPAC (dal francese Injection Assistee Par Air Comprimé) è schematizzato nella figura 1.9.
a)
20 Da questa si può facilmente comprendere il principio di funzionamento: il carter riempie un serbatoio di accumulo con aria compressa grazie ad una valvola a lamelle; da qui l’aria fluisce nel cilindro attraverso una valvola a fungo. Un iniettore a bassa pressione inietta una data quantità di combustibile, che va a depositarsi sul fungo della valvola; in questo modo il combustibile ha un determinato tempo di residenza che permette una parziale evaporazione prima dell'apertura della valvola e quindi dell’iniezione vera e propria nel cilindro.
La qualità del getto aria-benzina è ulteriormente migliorata dalla forma a tubo di Venturi della sede valvola. La restante parte di benzina non evaporata avrà tutto il tempo necessario per miscelarsi con l’aria pompata attraverso le classiche luci di lavaggio. Da notare, anche in questo caso, l’estrema importanza della posizione della valvola-iniettore: sufficientemente lontana dalla luce di scarico, in modo da ridurre al massimo i pericoli di cortocircuito, e strategicamente collocata in modo tale da facilitare, con l’interazione dei flussi interni al cilindro, la formazione di una miscela stratificata a partire dalla posizione della candela.
Fig. 1.9 - Motore IAPAC
I risultati al banco prova, ottenuti con un motore monocilindrico di 250 cm3, non sono stati molto significativi. La potenza massima raggiunta è di 11 kW a 4500 giri/min, da cui
21 si ricava una potenza specifica di 44 kW/litro, mentre, per quanto riguarda il consumo specifico, in fig. 1.10 si può vedere che ha un minimo intorno a 250 g/kWh.
Fig. 1.10 – BSFC motore IAPAC
In sostanza il motore ideato dalla IFP non è in grado di soddisfare le leggi sulle emissioni di inquinanti.
Gli svantaggi di questo sistema di iniezione sono:
Motore costruttivamente complicato e quindi costoso;
Non si ha la possibilità di ottenere una buona stratificazione, poiché si deve iniettare piuttosto in anticipo rispetto al PMS, dato che all’interno del serbatoio di accumulo non si raggiungono pressioni elevate.
4) Orbital
Questo sistema [12,13] è stato adottato da Aprilia (DI Tech) e successivamente da Piaggio (Pure Jet). Il motore oggetto di questo lavoro originariamente aveva per l’appunto questo tipo di iniezione. Un primo elettro-iniettore provvede a dosare il combustibile immettendolo in una cameretta mantenuta ad una pressione di circa 5 bar grazie all’aria fornita da un compressore ausiliario. Successivamente, mediante un secondo elettro-iniettore, l’aria ed il combustibile accumulato vengono iniettati nella camera di
22 combustione sotto forma di una miscela finemente polverizzata (la fig. 1.11 illustra il sistema di iniezione).
Fig 1.11 - Gruppo di iniezione Orbital e sequenza di iniezione
Le piccole dimensioni delle particelle permettono una evaporazione molto veloce del combustibile, minimizzando il tempo per la preparazione della miscela all'interno del cilindro. Questo sistema, in combinazione con un'adeguata forma della testata e della cielo del pistone, permette un ceto grado di stratificazione della carica.
Il compressore ausiliario generalmente è a stantuffo azionato da una camma posta sull'albero motore, come mostrato in fig. 1.12, mentre il combustibile è fornito da una pompa convenzionale operante ad una pressione compresa tra 6.2 e 7.2 bar (fig. 1.13).
23 Fig. 1.13 - pompa della benzina del sistema Orbital
I risultati di questo sistema sono notevoli: bassi consumi specifici (si può raggiungere un'economia fino al 20% rispetto ai 2T convenzionali con valori che si aggirano sui 220-260 gr/CVh), riduzioni drastiche di HC e CO. L'olio viene gestito mediante pompa dosatrice a controllo elettronico ottenendo fumosità zero e candele sempre pulite.
Il sistema presenta comunque alcuni inconvenienti:
La pressione di iniezione si aggira attorno ai 5 bar, non permettendo quindi di ritardare molto la fase di iniezione, poiché la pressione all’interno del cilindro sale bruscamente dopo la chiusura dello scarico; del resto, innalzare la pressione di iniezione comporterebbe uno spreco di lavoro eccessivo;
L’iniettore tende a sporcarsi poiché l’iniettore è ancora aperto quando la combustione è cominciata, questo implica che parte dei gas combusti entrino all’interno dell’iniettore, formando depositi carboniosi;
Per avere un funzionamento regolare ai bassi carichi, occorre un’accensione assai anticipata che ovviamente pregiudica il rendimento. Da un lato infatti occorre mantenere un minimo di stratificazione pur non potendo iniettare molto in ritardo e dall’altro il basso rendimento consente di ottenere bassi carichi con relativamente
24 elevate quantità di combustibile iniettato, il che riduce il grado di stratificazione necessario.
Il sistema risulta estremamente sensibile alle occlusioni allo scarico, poiché queste causano un aumento della pressione nel cilindro;
L’ intero sistema risulta complesso e costoso.
Oltre alle applicazioni motociclistiche precedentemente illustrate, il sistema a bassa pressione ha incontrato un buon successo nel campo dei motori nautici fuoribordo, proposti da varie case tra cui Nissan con il suo TLDI (Two stroke Low pressure Direct Injection). In questo settore, infatti, dopo una notevole diffusione dei motori a 4T a partire dalla prima metà degli anni ’90, si è assistito ad una graduale ripresa nell’utilizzo del due tempi D.I., che rispetto al 4T garantisce ridotta manutenzione, massa contenuta ed elevata potenza specifica.
1.5.2 Sistemi single fluid
L’iniezione diretta liquida (single-fluid) è sicuramente il modo più naturale e concettualmente più semplice per operare una iniezione.
Attualmente, nel campo dei 2T, tae soluzione trova la principale applicazione nei motori fuoribordo per imbarcazioni. Il problema principale è che, essendovi un tempo limitato per creare la miscelazione tra aria e combustibile, si rende necessario l’utilizzo di alte pressioni di iniezione. Ad esempio Yamaha propone il sistema HPDI (High Pressure Direct Injection) che utilizza pressioni di alimentazione fino a 70 bar, con un sistema analogo a quello delle autovetture con motore a 4T ad AC ad iniezione diretta, cioè costituito da una pompa ad alta pressione che alimenta un iniettore posizionato sulla testa del cilindro, come vedremo meglio nei capitoli successivi.
In passato sono stati comunque proposti degli altri sistemi, tra i quali i più interessanti sono il Ficht ed il Ram Tuned, che analizziamo brevemente di seguito.
25
1) Sistema di iniezione FICHT
Questo dispositivo inietta all'interno della camera di combustione solo combustibile. La modalità con cui viene fornita pressione al fluido è abbastanza semplice ed intuitiva: tenendo presente le due figure 1.14 e 1.15, il combustibile viene dapprima pompato all'interno del piccolo cilindro dell'iniettore mentre lo stantuffo pompa si porta al punto morto per poi essere accelerato dal solenoide sempre mantenendo la valvola 3 aperta. Lo stantuffo nel suo moto chiude la valvola 3, la pressione del combustibile si innalza causando l’inizio dell’iniezione [14].
Il sistema ha il pregio di raggiungere il completamento dell’iniezione in breve tempo, oltre ad avere buone caratteristiche dello spray, tali da garantire elevata efficienza e bassi consumi.
Fig.1.14 - schema dell’iniettore FICHT Fig.1.15 - vista dell’iniettore FICHT
Complessivamente il sistema risulta composto da pochi elementi di piccolo ingombro e di forma allungata che si adatta perfettamente all'alloggiamento in una piccola testata di un motore. Occorre sottolineare che questo dispositivo ha un principio di funzionamento uguale a quello del sistema Ram Tuned (successivamente descritto), nel senso che viene sfruttato in entrambi il fenomeno del colpo d'ariete, ma, mentre nel Ram Tuned è il fluido che accelera per poi arrestarsi improvvisamente alla chiusura di una valvola, nel sistema Ficht è un pistone che va ad impattare contro il fluido, mandandolo in pressione. In entrambi i casi comunque si ha una trasformazione di energia cinetica in energia di pressione.
Le caratteristiche di questo sistema d'iniezione sono particolarmente adatte ad un motore a due tempi: la curva di pressione, e quindi la qualità dello spray di combustibile, è indipendente dalla quantità di combustibile iniettata e dalla velocità del motore; essendo
26 molto breve, il picco di pressione (0.5-1.5 ms; 25-65 bar) permette all'iniettore di aprirsi e chiudersi velocemente, consentendo così una buona polverizzazione del combustibile; in tali circostanze possono essere iniettate sia piccole che grandi quantità di combustibile (<1 mm3 fino a circa 50 mm3)
Il sistema può essere totalmente controllato in maniera elettronica, poiché è meccanicamente disaccoppiato dal motore (adoperando quindi le correzioni necessarie ad un buon funzionamento nelle varie condizioni di carico, velocità, temperatura, ecc.); sono possibili velocità di rotazione del motore molto elevate (>10000 g/min), grazie al breve tempo necessario all'iniezione e all’inerzia elettro-magnetomeccanica relativamente bassa inerzia.
Il sistema d'iniezione Ficht ha trovato applicazioni commerciali, in particolare nei motori marini fuori bordo MERCURY, dimostrando prestazioni interessanti: consumi ed emissioni comparabili con quelli dei motori quattro tempi, con notevoli vantaggi però per quanto riguarda la complessità e gli ingombri (caratteristiche che si riflettono in minori costi e problemi di manutenzione).
Gli svantaggi principali di questo sistema sono:
Non linearità del controllo, causata dalla dinamica molto variabile del sistema; Se la valvola in testa all’iniettore si snerva, la portata varia in misura notevole. L’iniezione non avviene a pressione costante, questo ha come conseguenza una
dispersione del diametro medio delle gocce e quindi una diversa penetrazione e velocità del getto, il che penalizza la stratificazione della carica.
2) Sistema di iniezione diretta Ram Tuned
Il principio di funzionamento di questo sistema, nato inizialmente per motori Diesel, si basa sul ben noto fenomeno detto comunemente colpo d'ariete: un generico fluido, in movimento e arrestato improvvisamente, dà luogo ad un aumento di pressione. Un'analisi del fenomeno dal punto di vista teorico è piuttosto complicata, in quanto risulta fondamentale la descrizione della risposta elastica all'impulso del sistema, intendendo con sistema non solo il fluido in questione ma anche le pareti che lo contengono. L'unico modo per analizzare quantitativamente il colpo d'ariete per poi sfruttarlo in un sistema d'iniezione
27 è la sperimentazione diretta, da cui si ottengono risultati sull'effettiva risposta alle aspettative.
Lo schema del sistema Ram Tuned è mostrato in figura 1.16 ed è composto da elementi abbastanza comuni e facilmente reperibili sul mercato.
Le fasi in cui si svolge il ciclo d’iniezione sono sostanzialmente tre. In una prima fase, la valvola a solenoide è inizialmente chiusa, impedendo cosi il passaggio di combustibile nel circuito secondario (filtro-pompa-regolatore di accumulatore di pressione-valvola di smorzamento-tubo di accelerazione-linea di ritorno, e cioè il circuito segnato in blu nella figura 1.16).
Quindi, il fluido passerà soltanto lungo il circuito primario (filtro-pompa-regolatore di pressione-linea di riversamento, cioè circuito in rosso in figura), grazie all'azione di una pompa che fornisce un valore di pressione generalmente fissato tra 4 e 6 bar, ritornando direttamente al serbatoio. La seconda fase prende inizio nel momento in cui viene aperta la valvola a solenoide grazie al comandato generato da una centralina elettronica.
A questo punto il combustibile è libero di muoversi attraverso il circuito secondario, accelerando fino al momento in cui viene chiusa di nuovo la valvola solenoide. La terza ed ultima fase inizia, con l'impatto del fluido in movimento con la valvola, seguito da una crescita immediata della pressione fino a valori massimi prossimi ai 50-60 bar.
Il segnale di pressione si propaga come un'onda alla velocità del suono all'interno delle tubazioni, raggiungendo in particolare l'iniettore; la pressione vince la forza di opposizione generata da una molla opportunamente tarata, si ha quindi lo spostamento dello spillo e l’inizio dell’iniezione. L'onda generata si propaga anche in direzione opposta della corrente fluida, raggiungendo un dispositivo di smorzamento in grado di assorbire parte dell'energia trasportata: in tale modo si evita che i picchi di pressione riflessi possano portare ad aperture indesiderate dell'iniettore. Una volta finito l'effetto del colpo d'ariete in breve tempo il sistema si ristabilizza ritornando alle condizioni iniziali [15].
28 Fig.1.16 - schema del sistema Ram Tuned
Il problema è come iniettare la desiderata quantità di combustibile, ovvero come regolare il sistema in funzione delle diverse esigenze di carico. Sperimentalmente, si è notato che, all'aumentare della velocità del fluido prima della chiusura della valvola, si ottiene un aumento del valore massimo dell'onda di pressione mantenendo però una durata pressoché costante del picco. Questo ovviamente si traduce in un maggiore volume di iniezione in quanto, aumentando il salto di pressione tra combustibile iniettato ed aria nella camera di combustione, aumenta la portata iniettata. L’aumento della velocità del fluido si ottiene anticipando l'apertura della valvola solenoide. Tutto questo viene gestito da una centralina elettronica, da cui partono i segnali di apertura e chiusura della valvola solenoide, segnale con il quale si può gestire completamente il sistema di iniezione (sia per quanto riguarda l'istante in cui effettuare l'iniezione, dipendente tra gli altri dalla velocità di rotazione del motore, sia per quanto riguarda la quantità di combustibile da iniettare, dipendente dal carico che vogliamo impartire al motore).
29 Attraverso prove sperimentali si è verificato che le caratteristiche dell'onda di pressione sono indipendenti dalla frequenza di funzionamento (in una gamma piuttosto ampia che va da 1 Hz fino a 200 Hz). Inoltre le elevate pressioni raggiunte scongiurano il rischio di accumulo di combustibile nell'ultima fase d'iniezione in corrispondenza dell'iniettore, problema che porta alla presenza di HC nelle emissioni allo scarico.
Allo spray, di forma conica con angolo di apertura dipendente dalla geometria del complesso spillo-sede, viene impartita anche una componente rotatoria di swirl in modo tale che l'energia posseduta dal combustibile iniettato porti ad una buona polverizzazione ma non ad un'elevata penetrazione (i motori a cui facciamo riferimento sono di piccola cilindrata). In questo modo, quindi, una parte dell'energia del getto di combustibile viene fornita sotto forma rotazionale, ottenendo basse penetrazioni, senza ridurre però l'intensità delle interazioni aerodinamiche, che portano alla atomizzazione del flusso liquido e alla sua successiva evaporazione. Non dimentichiamo inoltre che sulla scelta dell'iniettore va considerato il fatto che si deve operare sempre con cariche stratificate e quindi va fatta un'attenta valutazione non solo della geometria dell'iniettore ma anche della sua posizione e del orientamento, in accordo con un'opportuna geometria della camera di combustione.
Concludendo questo sistema ha gli stessi svantaggi del sistema FICHT, aggravati dall’alta sensibilità alle eventuali bolle d’aria nei condotti.
1.6
Panoramica delle tipologie di iniettori
Attualmente gli elettro-iniettori per sistemi di iniezione liquida diretta di benzina si dividono in due categorie in base al sistema di attuazione: quelli a solenoide e quelli
piezoelettrici. Mentre nei primi il movimento dello spillo avviene per opera di un
elettromagnete, nei secondi il moto è realizzato per mezzo di un attuatore piezoelettrico.
1.6.1 Iniettori a solenoide
Sono attualmente la tipologia di iniettore più diffusa, grazie alla loro semplicità e al basso costo di produzione. Distinguiamo fra iniettori di due tipi: swirl e multihole.
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A) Iniettori swirl
Gli iniettori swirl sono caratterizzati dalla presenza di camere tangenziali (fig. 1.17) che imprimono al combustibile un moto rotatorio attorno all’asse verticale, rendendo possibile una buona polverizzazione anche con pressioni di iniezione relativamente basse. L’alzata dello spillo si effettua tramite comando elettromagnetico ed all’uscita lo spray è formato da un cono cavo (hollow cone); l’angolo di apertura di questo cono varia tra 45° e 115° per l’esterno, tra 20° e 65° per l’interno ed è fortemente influenzata dalla pressione dell’ambiente di iniezione, da quella di iniezione e dalla forma della camera di swirl. Un problema di questa tipologia di iniettori si verifica ai bassi carichi, a cui si inietta praticamente solo la benzina rimasta intrappolata nella camera di “swirl” nel ciclo precedente, che ha ormai perso il moto rotatorio; in questo modo lo spray non risulta più adeguato venendo a mancare la componente centrifuga del moto.
Fig. 1.17 – Iniettore swirl ed evoluzione del fluido all’interno della camera di swirl
Questo tipo di iniettori è attualmente molto usato poiché ad un basso costo di produzione unisce ottime proprietà di polverizzazione già con pressioni di iniezione nell’ordine dei 60 bar.
Dal punto di vista della meccanica interna, è costituito da uno spillo conico che in condizioni di riposo chiude il foro di passaggio del combustibile e da una molla che garantisce, assieme alla pressione del fluido, la forza di chiusura (vedi fig. 1.18).
Lo spillo, al momento del passaggio della corrente, viene richiamato verso l’alto dalla forza magnetica esercitata dal solenoide; una volta cessato il segnale Fig. 1.18 - Iniettore swirl
31 elettrico, esso torna in posizione di riposo grazie all’azione di una molla montata con un precarico di circa 15N.
La struttura portante dell’iniettore è formata da tre elementi metallici assial-simmetrici saldati tra loro: all’interno si trova lo spillo e la molla, mentre all’esterno, annegata in una speciale resina, si trova la bobina del solenoide.
B)
Iniettori multihole
Negli iniettori multihole cambia la tecnica di formazione dello spray: se infatti negli
swirl si viene a creare un cono per effetto della forza centrifuga impressa al fluido da
un’apposita camera, qui il fluido viene iniettato da una serie di fori radiali posti sulla testa dell’iniettore in un numero variabile da 3 a 5, ognuno dei quali produce uno spray conico molto chiuso orientato secondo l’asse del foro (vedi figg. 1.19 e 1.20)
La qualità della polverizzazione è funzione del numero e del diametro dei fori e, pur essendo inferiore a quella degli iniettori swirl, permette di ottenere una grande varietà nella forma dello spray in relazione al posizionamento ed all’orientamento dei fori, consentendo un ottimo adattamento dell’iniettore alla camera di combustione. Il problema principale di
32 questo tipo di iniettore è l’elevata sensibilità alla formazione di depositi carboniosi, tanto maggiore quanto più piccolo è il diametro dei fori.
1.6.2 Iniettori piezoelettrici
Negli iniettori piezoelettrici (fig. 1.21) lo spillo non è più azionato da un solenoide, bensì da una cella piezoelettrica. Il principio di funzionamento è basato sulle proprietà dei quarzi piezoelettrici, materiali capaci di deformarsi se sottoposti ad un campo elettrico, generando forze che arrivano per queste applicazioni fino a 2000 N. Tuttavia lo spostamento che può generare la cella piezoelettrica è di qualche decina di µm, per cui, per garantire la necessaria portata di combustibile, tale tecnologia viene accoppiata generalmente ad un iniettore di tipo pintle: in essi lo spillo infatti si apre in avanti in modo del tutto simile alle valvole a fungo garantendo, a differenza dello swirl e multihole, buone sezioni di passaggio anche con minime alzate.
Poiché inoltre il cono viene generato direttamente dalla geometria dell’uscita (fig. 1.22) esso risulta molto stabile: l’angolo di apertura α (variabile tra 70 e 90 gradi) è pressoché costante lungo tutto lo sviluppo dello spray (fig. 1.23) ed al variare delle condizioni operative (al contrario dell’iniettore swirl), mentre la penetrazione è fortemente dipendente
33 dalla pressione dell’ambiente in cui si inietta. L’attuazione di tipo piezoelettrico ha il vantaggio di brevissimi tempi di risposta (~50 µs), un ordine di grandezza inferiori a quelli dei comuni sistemi a solenoide. Ciò permette di fare iniezioni multiple, che possono essere anche molto ritardate grazie alle ottime caratteristiche di polverizzazione e stabilità dello spray.
Fig. 1.23 Spray iniettore pintle
34 BIBLIOGRAFIA
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35
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[15] C. Stain
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36
CAPITOLO 2
Allestimento prototipo e sistemi ausiliari
2.1 Presentazione motore GDI
Il motore utilizzato per la sperimentazione deriva dal propulsore da scooter “PUREJet 50 2T” (fig. 2.1), prodotto dalla Piaggio & C s.p.a. e montato sui modelli RUNNER e
NRG. L’architettura del motore è quella di un tradizionale 2T a carter pompa con
ammissione lamellare nel carter, raffreddamento a liquido e lubrificazione separata (una pompa meccanica manda l’olio lubrificante direttamente nel carter pompa).
Il nome PUREJet è l’acronimo di “Piaggio Ultralow emission Research Engine”, nome che mette in evidenza il basso impatto ambientale ottenuto grazie all’impiego dell’iniezione diretta. Nel motore originale l’iniezione diretta è air-assisted, cioè un’iniezione di miscela formata da aria e combustibile. Il sistema è il noto Orbital (vedi par. 1.7.1), adottato anche dall’Aprilia per lo scooter SR 50 Ditech.
37 Questo motore, già utilizzato in precedenti ricerche [9,10], è stato opportunamente modificato presso la ditta EDI di Pontedera (specializzata nella realizzazione di prototipi) seguendo le indicazioni della simulazione CFD svolta presso il Dip. di Energetica dell’Università di Pisa.
Le modifiche principali sono consistite in una nuova camera di combustione (pistone e testa) per permettere la stratificazione della carica e nell’adozione di un sistema di iniezione diretta liquida in sostituzione del sistema air-assisted di serie. Ovviamente è stato necessari realizzare una nuova centralina per il controllo dell’iniezione; in tale centralina è stato integrato anche il controllo dell’ accensione.
Vediamo ora più in dettaglio gli interventi operati sul motore.
2.2 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).
44
2.3 Modifica rapporto di compressione
In un motore 2 tempi occorre effettuare una distinzione fra il rapporto di compressione
geometrico, definito come:
cc cc cil g V V V
ed il rapporto di compressione effettivo:
cc cc lc eff V V V
dove Vcil rappresenta la cilindrata, Vcc il volume della camera di combustione al PMS, Vlc la
cilindrata residua (cioè il volume residuo che lo stantuffo deve ancora spazzare) a luci completamente chiuse.
La nuova geometria della camera di combustione è stata disegnata per realizzare un rapporto di compressione geometrico di 12,3, modesti aggiustamenti sono però stati possibili, nel corso delle prime sperimentazioni, cambiando lo spessore della guarnizione cilindro-carter, nonché spianando la superficie superiore del cilindro.
Ciò determina anche la variazione dell’altezza di squish: ovvero la distanza minima che resta tra la sommità dello stantuffo, al PMS, e la superficie della testa. Valori bassi aiutano ad allontanare problemi di detonazione, in quanto favoriscono lo spostamento della carica verso il centro lasciando meno combustibile nelle zone lontane dalla candela, dove la miscela è sottoposta per più tempo ad elevate temperature e pressioni ed è perciò più facile avere l’innesco della detonazione. L’esiguità della carica che rimane incarcerata nel volume di squish può anche favorire basse emissioni di HC. Ovviamente, l’altezza non può scendere al di sotto di una certa soglia, altrimenti il pistone può urtare con la testa a causa delle normali dilatazioni e deformazioni dei vari organi, in particolar modo della biella.
Inoltre, la modifica dello spessore della guarnizione cilindro-carter comporta la variazione dei seguenti parametri:
Fasature di scarico e lavaggio; Sezioni luci di scarico e di lavaggio
45 La configurazione che ha dato i risultati complessivamente migliori, indicata in tabella 2.1, è caratterizzata da un rapporto di compressione pari a 12,98 (per la simbologia adottata vedi Appendice 1), ottenuto con una guarnizione carter-cilindro più bassa di 0,3 mm e uno spianamento superiore del cilindro di 0,4 mm.
ρg 12.98 ρeff 7.89 hSq 0.4 βeff,LAV 117.6 βeff,SCA 177.0 ALAV 514.7 ASCA 389.1 K1,s 0.424 K2,s 0.265 K3,s 0.794 K1,l 0.195 K2,l 0.734 K3,l 0.742 (As / Acil )t 0.089 (Al / Acil )t 0.106 As / Al 0.840
Tabella 2.1 - Dati geometrici del gruppo termico nella configurazione definitiva
2.4 Gestione elettronica del motore
La centraline elettronica (progettata e realizzata dalla ditta S.E.I. S.n.c.) gestisce l’intero motore, accentrando il controllo in un unico microcontrollore, il PIC, che riceve informazioni dai vari sensori posizionati sulla scheda e da quelli dislocati all’esterno (fig. 2.13). I segnali ricevuti vengono quindi elaborati per pilotare correttamente l’accensione e l’iniezione.
La scheda è predisposta per l’ interfacciamento con un Personal Computer, con il quale è possibile acquisire informazioni relative allo stato del motore ed intervenire di conseguenza; queste informazioni sono contenute all’interno della EEPROM collegata al PIC.
46 Fig. 2.13 – Schema a blocchi della gestione elettronica del motore
Fig. 2.14 – Disposizione della gestione elettronica del motore
La ruota fonica, presente sul volano magnete, fornisce alla centralina informazioni relative alla velocità di rotazione del motore ed alla posizione dell’albero motore.
Gli iniettori sono pilotati dal PIC in modo da garantire la forma d’onda di corrente desiderata, riportata in figura 2.15, dove sono ben visibili i tre parametri caratteristici:
47 T1 tempo di attivazione;
T2 tempo di mantenimento;
Corrente di picco, massima corrente raggiunta durante T1.
Fig. 2.15 - Forma d’onda teorica del pilotaggio iniettore.
Tramite il software Interface, da PC è possibile variare in tempo reale i valori degli anticipi di accensione e iniezione con step di 1°. Con questo software è anche possibile gestire i valori della corrente (9 - 12 A), del tempo d’eccitazione (250 - 470 µs) e del tempo di mantenimento (0,2 – 3,2 ms). La curva di pilotaggio viene progettata a seconda delle caratteristiche elettromagnetiche dell’iniettore; in figura 2.16 è ad esempio mostrato il confronto fra la curva di pilotaggio per i primi iniettori utilizzati su questo motore e quella per i recenti iniettori Siemens utilizzati.
48 Fig. 2.16 - Confronto tra la corrente di pilotaggio dell’iniettore prima e dopo la modifica (max corrente
e tempo d’eccitazione) della centralina. Segnali acquisiti con oscilloscopio
In figura 2.17 è riportata la schermata di visualizzazione-regolazione dei parametri di controllo motore attraverso il software Interface.
Fig. 2.172 - Schermata di visualizzazione-regolazione dei parametri di controllo motore attraverso Interface
