81
6
Prima fase di simulazioni.
6.1 Affinamento del codice mediante scomposizione della corsa.
Nel primo metodo di riduzione del tempo di calcolo si è divisa la simulazione in tre parti. Nella prima si è simulata la corsa di aspirazione del motore intero senza iniezione e sono stati ricavati i dati di pressione subito a monte della valvola di aspirazione. Nella seconda sono stati immessi questi dati come input in simulazioni in cui il volume di calcolo era ridotto al solo condotto di aspirazione e si è calcolata la portata d’aria. Potendo da questa dedurre la quantità di carburante da iniettare per avere miscela stechiometrica, si è passati alla terza parte di simulazione, ancora ristretta al solo condotto di aspirazione ma con l’iniezione. In questo modo il calcolo sul motore intero è stato fatto all’inizio una volta sola per dato valore di apertura della valvola a farfalla e comunque in tempi veloci, mancando l’iniezione. Questo primo step è stato svolto sulla mesh del condotto originale del motore, poiché l’obiettivo era di mettere a punto il sistema da affinare successivamente con il condotto modificato. In seguito si è passati alla simulazione con un condotto modificato e con due diverse fasature.
Il procedimento purtroppo non è andato a buon fine, in quanto il codice KIVA-3V non ha permesso di impostare efficacemente i dati per la seconda parte di simulazione. In particolare i problemi sono emersi nell’impostazione delle condizioni di uscita chiusa del condotto di aspirazione corrispondenti alla chiusura della valvola di aspirazione. Si è tentato di aggirare il problema mediante soluzioni diverse, ma il codice ha sempre risposto in maniera anomala. La soluzione che è apparsa più convincente è stata di impostare una pressione maggiore di quella ambiente nei periodi di chiusura aspirazione ed inserire virtualmente una valvola di riflusso alla fine del condotto di aspirazione1. Purtroppo il codice prevede di utilizzare questa opzione funzionalmente solo nel caso in cui la simulazione sia standard, ovvero fatta su un motore con tutte e
1
Il codice dispone di un opzione di questo tipo all’uscita dei condotti, utilizzata generalmente nelle simulazioni dei motori a due tempi per rappresentare la valvola a lamelle.
tre le regioni standard di calcolo, ovvero cilindro, condotto di aspirazione e condotto di scarico. Dopo una serie di vani tentativi è stato così scelto di abbandonare questa strada per intraprenderne un’altra che poi è risultata vincente e di cui verrà dato ampio risalto nei capitoli successivi. I prossimi paragrafi invece saranno dedicati alla spiegazione di cosa è stato fatto nel primo tentativo.
6.2 Calcolo della pressione a monte della valvola di aspirazione.
La procedura è stata la seguente per valori diversi di apertura di valvola a farfalla:
1. Modifica del codice per individuare le celle a monte della valvola di aspirazione.
2. Modifica del codice affinché durante la simulazione creasse un nuovo file in uscita contenente i dati di pressione a monte della valvola di aspirazione. Il file è stato chiamato ‘otape13’.
3. Creazione, mediante foglio di calcolo, di una nuova serie di righe da inserire nell’’itape5’ come condizioni all’ingresso del condotto di aspirazione.
In figura 6.1 è riportato il grafico della pressione mediata nella sezione due centimetri a monte della valvola di aspirazione, per valori di apertura della valvola a farfalla corrispondenti al 50% del riempimento.
0 200000 400000 600000 800000 1000000 1200000 270 300 330 360 390 420 450 480 510 540 570 600 630 angoli di m anovella dynes/ cm ^ 2
Figura 6.1 – Andamento della pressione a monte della valvola di aspirazione.
Le corse del motore intero sono state fatte per diversi valori di apertura della valvola a farfalla, le due diverse fasature e diverse forme del condotto di aspirazione. Il fatto che le simulazioni successive sul solo condotto non siano andate a buon fine non implica che tutto il lavoro fatto per mettere a punto questa serie di prove sia stato inutile, anzi, molte delle modifiche fatte al codice sono tornate utili se non essenziali al raggiungimento dei risultati ottenuti tramite le simulazioni numeriche definitive e funzionanti che verranno riportate in seguito.
In seguito è data la parte della routine ‘psolve’ in cui viene individuato il nodo
irifk2
sulla sezione a monte della valvola di aspirazione; sapendone le condizioni al contorno, la variabile contatore serve per verificare che abbia trovato un solo valore per
irifk. Il nodo viene individuato semplicemente mediante condizioni al contorno; si noti l’istruzione in cui si chiede l’appartenenza alla regione 23.
2
Viene indicato col nome irifk il nodo superiore della sezione del condotto di aspirazione circa
due cm a monte della valvola di aspirazione. Attraverso l’individuazione di questo nodo è poi possibile calcolare qualsiasi dato appartenente alla sezione a cui appartiene il nodo.
3
Nel codice KIVA-3V il modello viene suddiviso in tre regioni: cilindro, condotto di aspirazione e condotto di scarico. Le tre regioni sono identificate rispettivamente come Regione 1, Regione 2 e Regione 3.
contatore=0 do 115 i4=ifirst,ncells irifk=0 if((idreg(i4).eq.2).and.(bcl(i4).eq.4).and.(bcf(i4).eq.2) &.and.(bcb(i4).eq.2).and.(bcb(imtab(i4)).eq.4))irifk=i4 if(irifk.ne.0)then contatore=contatore+1 nodop=irifk endif 115 continue
La pressione media nella sezione a cui appartiene irfk viene quindi calcolata mediante il seguente gruppo di istruzioni, in cui appare anche l’istruzione di scrittura sul file ‘otape13’:
ciclo=float(ncyc)
if((ciclo/100).eq.(int(ciclo/100)).and.
&(perr.lt.perrmx .and. numpit.lt.maxpit))then nrighe=18 ncolonne=18 priga=0 ptot=0 pmedia=0 do 130 k=1,nrighe if(k.gt.1) nodop=i8tab(nodop) do 120 j=1,ncolonne if(j.eq.1) i4=nodop if(j.gt.1) i4=i3tab(i4) priga=priga+p(i4) 120 continue ptot=ptot+priga priga=0 130 continue pmedia=ptot/(nrighe*ncolonne) filename='otape13' open(unit=13,file=filename,status ='replace') write(13,900) crank,pmedia
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Il codice crea quindi il file di testo ‘otape13’4 in cui stanno due colonne, la cui scrittura avviene ogni 100 cicli; nella prima appaiono gli angoli di manovella, nella seconda le corrispondenti pressioni nella sezione a monte della valvola di aspirazione.
In seguito è dato un esempio di un file ‘otape13’ creato:
Angolo di manovella Pressione [gradi] [dPa – dyne•cm-2] .288014891782E+03 1.000892817E+06 .290605952887E+03 1.001559604E+06 .293042596992E+03 1.002168296E+06 .295454876501E+03 1.002865806E+06 .297822072012E+03 1.003519114E+06 .300142343121E+03 1.003733993E+06 .302425473042E+03 1.003299099E+06 .304696200622E+03 1.002624347E+06 .306455735800E+03 1.002195711E+06 ……….. .464810969850E+03 8.750380916E+05 .465628183082E+03 8.754041536E+05 .466445571631E+03 8.758313712E+05 .467263061556E+03 8.767854678E+05 .468081246010E+03 8.779192827E+05 .468900709819E+03 8.786663574E+05 ……….. .606121380173E+03 9.883215333E+05 4
Il file ‘otape13’ viene creato tramite l’istruzione open a cui appartengono alcune variabili. Tra queste si nota replace, che crea il file nel caso in cui non esista nella cartella e lo sostituisce nel caso sia già presente. Questa istruzione è quella che comunemente appartiene a tutti i files creati dal codice KIVA-3V. Tramite l’istruzione write viene invece scritta sul file la variabile specificata. Tra parentesi dopo l’istruzione si nota il numero 900, che indica la riga in cui è posizionata l’istruzione del formato in cui i dati devono essere immessi nel file. In questo caso il formato è quello semplice in due colonne, questo affinché i dati siano facilmente elaborabili tramite foglio di calcolo.
.607220934712E+03 9.905387999E+05 .608303386130E+03 9.934739299E+05 .609369660721E+03 9.972005850E+05 .610418075032E+03 1.000668639E+06 .611443816789E+03 1.003884187E+06 .612445837290E+03 1.005945767E+06 .613429801838E+03 1.007879692E+06 .614397677057E+03 1.009917097E+06
A questo punto il file ‘otape13’ viene inserito in un foglio di calcolo in cui vengono interpolati i dati ottenuti in modo di avere i dati di pressione ogni 5 gradi di manovella. A questo proposito si ricordi che i dati sono estrapolati dalla simulazione ogni 100 cicli e non per valori interi di angoli di manovella. Estrapolare i dati per angoli di manovella interi sarebbe risultato infatti impossibile in quanto per ogni ciclo viene calcolata la nuova posizione dell’albero motore senza necessariamente avanzare di step uguali, anzi è possibile che per ragioni di convergenza vengano i ripetuti i calcoli sullo stesso angolo o che per lo stesso motivo l’avanzamento sia molto elevato. Creare un’istruzione di tipo if con una certa tolleranza sull’angolo avrebbe quindi creato dati multipli o mancanti a seconda del valore. Se ad esempio fosse stata data la seguente istruzione
if(((crank/5).lt.((int(crank/5))+0.5)).or.((crank/5).gt.((int(crank/5))-0.5)))
al posto di
if((ciclo/100).eq.(int(ciclo/100))
avremmo molto probabilmente avuto una serie di dati comunque da rielaborare in quanto si sarebbe dovuto eliminare i dati multipli per dati angoli ed interpolare quelli mancanti per altri angoli.
I dati ottenuti con il foglio di calcolo serviranno quindi per il passo successivo, oltre che per costruire un grafico del tipo di Figura 6.1 che è servito a verificare visualmente bontà e riuscita delle simulazioni.
87 6.3 Calcolo della portata d’aria.
I dati ottenuti con il foglio di calcolo vengono inseriti come ultimi dati dell’’itape5’ dove è previsto si possa inserire una curva di pressioni all’interfaccia esterna di input.
Il codice indica con pcc e pex i valori di pressione all’interfaccia rispettivamente dello scarico e dell’aspirazione. Le ultime istruzioni di ‘itape5’ sono infatti numpcc e numpex5 seguite da una tabella di valori corrispondenti alle pcc e pex, ovvero una tabella equivalente all’’otape13’ creato.
A titolo di esempio viene data la parte di ‘itape5’ standard, ovvero quella in cui sia a monte del filtro dell’aria che all’uscita del condotto di aspirazione vi sia pressione atmosferica. numpcc 2 0.0 1.0e+6 2000.0 1.0e+6 numpex 2 0.0 1.05e+6 2000.0 1.05e+6
Il modello usato per questa serie di simulazioni è tra quelli relativi al solo condotto ed il codice è stato accuratamente modificato per svolgere i calcoli su una mesh diversa da quelle standard. Le modifiche fatte al codice evitano la chiamata della sub-routine di movimento del pistone.
Per poter simulare completamente un ciclo motore è necessario però, oltre ad impostare le condizioni di pressione all’uscita del condotto, anche imporre la condizione di chiusura del condotto stesso durante la chiusura della valvola di aspirazione, altrimenti la colonna di aria tenderebbe a continuare il movimento verso il motore.
Si è impostato allora una valvola di non ritorno6 all’uscita del condotto ed una pressione a valle maggiore di quella del condotto durante i tempi di chiusura della valvola di aspirazione. Questa opzione è presente nel KIVA-3V per simulare le valvole
5 numpcc
e numpex sono variabili che indicano il numero di valori appartenenti alla tabella, in quanto il codice deve sapere quante righe deve leggere per far corrispondere i giusti valori alle variabili.
6
lamellari dei motori a due tempi e si imposta facilmente in una riga di ‘itape5’ con la seguente istruzione:
reedout 1.0
Una volta lanciato l’eseguibile, non si sono presentati problemi fino all’istante teorico di chiusura della valvola di aspirazione, ma nella parte successiva i dati perdevano qualsiasi senso fisico ed è stato impossibile utilizzarli e continuare le prove di simulazione.
Le prove fatte con questa impostazione sono state numerose e si è cercato di aggirare il problema in vari modi senza però avere soluzione. Non si tratterà di questi tentativi in quanto inutili ai fini della trattazione e comunque sono state spesso brevissime prove bloccate ed eliminate dopo pochi cicli di simulazione.
Nel prossimo capitolo verrà invece data esauriente spiegazione delle simulazioni andate a buon fine e che hanno fornito dati validi.
6.4 Simulazione con iniezione.
La parte definitiva con iniezione avrebbe dovuto essere identica alla seconda tranne per la presenza dell’iniettore. Il tempo di calcolo totale sarebbe risultato superiore, ma comunque di molto inferiore rispetto ad una corsa di simulazione standard. La modalità di iniezione era già stata scelta e programmata, ma per i motivi detti non è stato in alcun modo possibile applicarla in questa fase iniziale. Dell’iniezione verrà quindi discusso in maniera approfondita nel capitolo 6.
6.5 Conclusioni.
Nonostante questa fase non abbia fornito i risultati sperati, la maggior parte delle modifiche fatte al codice è stata mantenuta nella seconda fase di simulazioni. Il metodo per aggirare i problemi di tempo di calcolo, pur apparentemente buono, si è rivelato inapplicabile.
