Capitolo 4
Analisi fluidodinamica con geometria semplificata del motore
4.1 Obiettivi dell’analisi
In questo capitolo vengono riportati i risultati ottenuti dalle simulazioni numeriche eseguite su un modello semplificato del prototipo oggetto di questa tesi, caratterizzato dalla testa priva della candela d’accensione e dal pistone descritti al Capitolo 2.
Con questo semplice modello è stata effettuata un’analisi preliminare con i seguenti obiettivi:
1) valutare la possibilità di realizzare la stratificazione della carica con travasi convenzionali; 2) valutare l’influenza che alcuni dei parametri dell’iniezione possono esercitare sui risultati.
4.2 Creazione del modello con geometria semplificata.
4.2.1 Geometria del modello
Il modello CAD con geometria semplificata del motore (Fig. 4.1) è stato disegnato sulla base di precedenti studi condotti presso il dipartimento di Energetica che hanno portato alla realizzazione del prototipo analizzato in questo lavoro.
In Fig. 4.2 sono rappresentati i travasi adottati sul modello.
Figura 4.2 Il modello con geometria semplificata (File .prt)
4.2.2 Creazione della griglia computazionale
Nel rispetto dei vincoli imposti dal solutore Kiva 3v la griglia computazionale generata per questo modello è del tipo multiblocco strutturata (Figg. 4.3, 4.4 e 4.5).
Figura 4.4 Mesh del modello con geometria semplificata (vista dal piano di simmetria)
Figura 4.5 Mesh del pistone
Dopo aver realizzato una versione preliminare della griglia di calcolo è necessario eseguire una sua messa a punto per eliminare o almeno ridurre il numero di celle non convesse presenti.
Nel caso in esame la mesh realizzata è suddivisa in 148 blocchi e composta da circa 60000 celle.
4.3 Primo obiettivo: valutare la possibilità di realizzare carica
stratificata con travasi convenzionali.
4.3.1 Simulazione a 1800 giri/min ed 1/5 del carico
fondamentale ottenere in questa simulazione una buona stratificazione della carica nella zona d’accensione per risolvere i problemi di cattive combustioni ai bassi carichi.
La pressione di iniezione è stata fissata a 100 bar mentre la fasatura dell’iniezione adottata prevede:
-inizio dell’iniezione a 312° -durata dell’iniezione di 5,40°
4.3.1.1 Analisi del campo di moto
Dall’analisi del campo di moto della fase gassosa a 328° emerge che nel cilindro si instaura un
tumble con velocità variabili fino ad un massimo di circa 18 m/s (Fig. 4.6).
Figura 4.6 Campo di moto a 328°
A 328° il tumble della fase gassosa non riguarda più la sola aria ma anche i vapori di combustibile che iniziano a miscelarsi (Fig. 4.6). In questo caso le velocità maggiori sono raggiunte sulla bowl alla base della cresta più alta del pistone per l’effetto inerziale legato all’accelerazione subita dall’aria con l’iniezione di combustibile.
Dal momento che a questo livello il pistone è ancora lontano dal PMS non si registra la presenza di un effetto squish sul campo di moto.
A 340° il tumble si somma al nascente squish e le velocità più alte si realizzano proprio all’incontro tra le due correnti fluide (Fig. 4.7).
Figura 4.7 Campo di moto a 340°
A causa del maggior effetto squish a 350° si registrano velocità del gas superiori a quelle raggiunte a 340°.
Figura 4.8 Campo di moto a 350°
La visualizzazione del campo di moto che si instaura nel motore aiuta a comprendere l’andamento dei vettori della velocità media della fase gassosa.
Tuttavia per verificare se tale campo di moto favorisca o meno la realizzazione della stratificazione, evitando di sparpagliare il combustile in zone lontane dalla candela, è necessario visualizzare la distribuzione del titolo che si realizza in camera di combustione.
4.3.1.2 Analisi del processo di formazione della carica
Di seguito vengono riportate le mappe relative al rapporto di equivalenza che si realizza in camera nel caso di tre angoli di manovella (Figg. 4.9, 4.10, 4.11).
Il rapporto di equivalenza esprime il rapporto tra la concentrazione locale aria/benzina e quella stechiometrica.
Figura 4.9 Rapporto di equivalenza a 328°
Figura 4.10 Rapporto di equivalenza a 340°
Osservando le tre immagini appena riportate è possibile notare come il campo di moto sia adeguato ai fini della realizzazione della stratificazione della carica consentendo di localizzare una nuvola di miscela quasi stechiometrica nella zona della candela (Fig. 4.11).
In particolare la geometria della testa e del pistone si rivelano efficaci nell’indirizzare opportunamente le correnti dovute allo squish; infatti se così non fosse, nella zona della candela si assisterebbe ad una notevole diluizione della carica che presenterebbe di conseguenza un titolo povero e quindi insufficiente a garantire un regolare innesco ed evolversi della combustione.
Figura 4.12 Rapporto di equivalenza a 350° su due piani ortogonali
Con distribuzione del titolo che si realizza in camera (Fig. 4.12) è garantito un sicuro innesco al momento dell’accensione ipotizzata a 350°.
4.3.2 Simulazione a 3000 giri/min ed 1/3 del carico
In figura 4.13 sono riportati lo spray ed il vapore di combustibile nel caso di 1/3 del carico, velocità di rotazione del motore pari a 3000 giri/min, anticipo di iniezione a 307° e durata
dell’iniezione pari a 9°.
Figura 4.13 Spray a 315° dell’ albero motore nel caso della geometria di motore senza candela
4.3.2.1 Analisi del campo di moto
Il campo di moto della fase gassosa a 315° (Fig. 4.14) presenta un tumble analogo a quello descritto nella precedente simulazione e velocità variabili fino ad un massimo di 40 m/s. Le velocità più alte si hanno nella zona dello spray che, esercitando un’azione di “taglio”, trascina l’aria accelerandola.
Figura 4.15 Campo di moto a 328°
Figura 4.16 Campo di moto della fase gassosa a 340°
Analogamente a quanto visto a proposito del caso a 1800 giri/min ed 1/5 del carico, con l’avvicinarsi del pistone al PMS, l’effetto squish diventa sempre più presente e si va a sommare al tumble (Figg. 4.15, 4.16. 4.17).
Anche in questo caso a 350° le correnti di squish vengono indirizzate efficacemente verso la testa del motore.
4.3.2.2 Analisi del processo di formazione della carica stratificata
Le immagini seguenti sono relative al rapporto di equivalenza della miscela aria-combustibile valutato agli stessi angoli di manovella considerati a proposito dell’analisi del campo di moto. La sequenza delle mappe riportate descrive il processo di formazione della carica stratificata.
Figura 4.18 Rapporto di equivalenza a 328°
Figura 4.20 Rapporto di equivalenza a 350°
Le tre figure sopra riportate mostrano una progressiva risalita della nuvola di miscela leggermente ricca dalla bowl del pistone verso la parte della testata dove viene posizionata la candela d’accensione.
Il campo di moto si presenta dunque favorevole alla realizzazione della stratificazione della carica anche a 3000 giri/min ed 1/3 del carico.
Figura 4.21 Rapporto di equivalenza a 350° su due piani ortogonali
In Fig. 4.21 è rappresentato il rapporto di equivalenza anche su un piano normale all’asse del cilindro: da questa immagine emerge la compattezza della nuvola di miscela a titolo leggermente ricco (rapporto di equivalenza pari ad 1,4 circa) nella zona della candela ed è evitato lo
4.3.3 Simulazione a 6000 giri/min ed 1/3 del carico
Per valutare la stabilità della stratificazione della carica ottenuta al variare delle condizioni di funzionamento del motore è stato considerato anche il caso di velocità dell’albero motore pari a 6000 giri/min ed 1/3 del carico.
In questo caso la fasatura dell’iniezione prevede: -inizio di iniezione a 285°;
-durata dell’iniezione 9°.
4.3.3.1 Analisi del campo di moto
Anche in questo caso è possibile notare un moto di tumble che rimane presente nel cilindro durante tutta la corsa di compressione.
Essendo la turbolenza legata al regime di rotazione del motore, le velocità raggiunte dalla fase gassosa nel caso di 6000 giri/min sono superiori rispetto ai due casi precedenti 3000 giri/min e 1800 giri/min.
Figura 4.23 Campo di moto a 335°
Figura 4.24 Campo di moto a 342°
Dalle Figure 4.23 e 4.24 si nota che anche nel caso di funzionamento a 6000 giri/min ed 1/3 del carico la geometria esaminata consente di indirizzare opportunamente le correnti di squish evitando che le velocità più alte si registrino nella zona d’accensione.
4.3.3.2 Analisi del processo di formazione della carica stratificata
Le mappe relative al rapporto di equivalenza (Figure 4.25, 4.26 e 4.27) confermano quanto emerso dall’analisi del campo di moto e cioè la realizzazione, anche nel caso di 6000 giri/min ed 1/3 del carico, di una nuvola di miscela di titolo leggermente ricco nella zona della candela al
Figura 4.25 Rapporto di equivalenza a 328°
Figura 4.26 Rapporto di equivalenza 335°
Figura 4.27 Rapporto di equivalenza a 342°
A 342° nella zona della candela è presente un rapporto di equivalenza vicino alla condizione stechiometrica e quindi sufficiente a garantire un’ innesco sicuro della miscela.
4.3.4 Considerazioni sui risultati ottenuti
Nel caso della geometria semplificata è stato possibile ottenere la stratificazione della carica in tutte le condizioni esaminate.
I travasi convenzionali impiegati sul motore reale consentono, assieme alla forma della testa e dello stantuffo del modello con geometria semplificata, di ottenere un campo di moto che favorisce la risalita della nuvola stechiometrica dal pistone verso la testa.
Per questo motivo tali travasi sono stati adottati anche sui modelli più complessi creati successivamente.
4.4 Secondo obiettivo: valutare l’influenza di alcuni parametri
dell’iniezione sui risultati ottenuti.
4.4.1 Considerazioni sui risultati ottenuti
In tutti i casi esaminati è stata fissata una pressione di iniezione pari a 100 bar. Le varie
fasature dell’iniezione con la geometria semplificata sono state messe a punto come
compromesso tra l’esigenza di iniettare più tardi possibile e garantire la completa evaporazione del combustibile, necessaria ad evitare che il fronte di fiamma incontri benzina liquida dando luogo a particolato. Ovviamente l’istante di inizio iniezione varia a seconda del regime di rotazione mentre la durata dell’iniezione è stata fissata a 0,5 millisecondi.
Per quanto riguarda la dimensione delle gocce di combustibile iniettato sono stati utilizzati valori impiegati in precedenti studi (SMD pari a 18 µm).
A parità di anticipo di iniezione sono state effettuate delle prove iniettando gocce di maggiori dimensioni per valutare l’influenza che il parametro SMD esercita ai fini dell’ottenimento della stratificazione della carica; in particolare nel caso di gocce con SMD pari a 30 µm (Fig. 4.28) è stato riscontrato un effetto paragonabile a quello che si ottiene aumentando leggermente l’anticipo di iniezione nel caso di SMD di 18 µm: infatti gocce di maggiori dimensioni posseggono una più alta quantità di moto e perciò l’aria esercita su di esse una minore azione frenante.
