Capitolo 10

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Capitolo 10

Le prove condotte a 3000 giri al minuto

10.1 Introduzione

Nel seguente capitolo sarà presentato il lavoro di simulazione svolto sul nostro motore per il regime di rotazione di 3000 giri al minuto. Dapprima saranno illustrati i risultati ottenuti con carico del 30%, verificando in particolare la stabilità della stratificazione; di seguito si analizzeranno i risultati ottenuti con carico al 50%, in condizione di semistratificazione.

10.2 Simulazione a 3000 giri al minuto e carico al 30%

10.2.1 Analisi del campo di moto

Si procederà con lo stesso ordine del capitolo precedente: prima si analizzerà il campo di moto del fluido al regime succitato, successivamente si andrà alla ricerca della miglior fasatura possibile, tenendo conto delle esigenze tipiche del motore GDI.

Osservando attentamente il grafico di figura 10.1, si deduce immediatamente la somiglianza con quello relativo a 2000 giri al minuto. Sia il picco massimo delle intensità, che l’andamento al variare dell’angolo di manovella sono circa uguali e, come si dimostrerà in seguito mediante le mappe locali del campo di moto e del rapporto di equivalenza, sarà l’elemento chiave per ottenere una stratificazione stabile e ripetibile.

Preme precisare, a scanso di equivoci, che l’uguaglianza tra i due casi, per quel che riguarda andamenti e intensità, non necessariamente significa uguaglianza del campo di moto: le quantità esaminate sono riferite ad un valore mediato sull’intera carica presente nel cilindro. In realtà il campo di moto locale può differire anche notevolmente.

All’inizio della corsa di aspirazione (c.a. 0) vi è una prevalenza del moto di tumble, determinato dal rapido efflusso della carica verso il cilindro (figura 10.2). Il moto di swirl, come nel caso dei 2000 giri al minuto, rimane di bassa intensità nei primi 50 angoli di manovella, salvo poi crescere fino a

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-0,60 -0,40 -0,20 0,00 0,20 0,40 0,60 0,80 1,00 1,20 0 50 100 150 200 250 300 350 Angolo di manovella

Tumble e swirl ratio

TRx TRy SR tot

Fig. 10.1 - Andamento del tumble e dello swirl ratio in funzione dell’angolo di manovella per il regime di 3000 giri al minuto.

Fig. 10.2 - Sezione frontale eseguita sul piano della valvole e vista del piano del pistone; campo di moto rilevato a 40° dopo il PMS a 3000 giri al minuto con Kiva 3v.

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Fig. 10.3 - Sezione frontale eseguita sul piano della valvole e vista del piano del pistone; campo di moto rilevato a 120° dopo il PMS a 3000 giri al minuto con Kiva 3v.

Fig. 10.5 - Vista del campo di moto rilevato sul pistone 320° (sopra) e 350° (sotto) dopo il PMS a 3000 giri al minuto con Kiva 3v.

Fig. 10.4 - Streamline del flusso rilevate a 120° a 3000 giri al minuto con Kiva 3v.

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raggiungere il picco intorno ai 150°, per poi iniziare lentamente ad invertire il senso di rotazione che in questo caso avviene non più a 260°, ma nell’intorno dei 280° angoli dopo il PMS.

Anche in questo caso l’entità dei moti turbolenti si attenua notevolmente, portandoci come ordine di grandezza intorno ai valori riscontrati per il caso dei 2000 giri al minuto. Il moto di tumble orario, presente alla fine della corsa di compressione, e che compariva anche al regime di 2000 giri al minuto, mostra all’incirca stessa intensità e asse collocato nella medesima posizione. Ciò e soltanto ciò, consente una stratificazione stabile e una distribuzione del vapore di combustibile e del rapporto di equivalenza del tutto analoga al caso precedente.

Fig. 10.6 - Mappa del campo di moto rilevato 320° dopo il PMS a 3000 giri al minuto con Kiva 3v.

Fig. 10.7 - Mappa del campo di moto rilevato 350° dopo il PMS a 3000 giri al minuto con Kiva 3v.

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0.000 0.001 0.002 0.003 0.004 0.005 0.006 0.007 0.008 0.009 0.010 325 330 335 340 345 350 Angolo di manovella

Percentuale di combustibile liquido sul cielo

del pistone 328 332 330 335

10.3 Fasatura d’iniezione

Nel proseguo del paragrafo sarà esaminato l’effetto della fasatura di iniezione, tenendo conto della sua influenza sugli aspetti più volte citati precedentemente. Nella prova al 30% del carico inietteremo sempre a 110 bar 3.96 mgr di benzina.

Nota: Per questa fasatura si raggiunge un picco del 10% di combustibile depositato.

Fig. 10.8 - Percentuale di combustibile depositata sul cielo dello stantuffo in funzione dell’angolo di manovella e della fasatura dell’iniezione.

Il grafico della percentuale di combustibile, depositato sul cielo dello stantuffo, mostra l’influenza della fasatura sul fenomeno dell’impingement. Rispetto al grafico relativo alla simulazione con regime di 2000 giri al minuto si è utilizzata, per l’asse delle y, una scala minore; scelta che si è resa indispensabile, dato l’ampio divario esistente tra i risultati relativi alla fasatura di 335° e le restanti fasature. Infatti, con ritardo imposto a 335°, otteniamo che il 10% del combustibile iniettato raggiunge la faccia superiore dello stantuffo, mentre in genere con le altre fasature si rimane al di sotto dello 0.5%; questo primo dato ci indica che iniettare a tale angolo di manovella inizia ad essere condizione critica.

Anche le mappe dell’evaporazione, in funzione dell’angolo di manovella (figura 10.12), mostrano che l’iniettata a 335° dopo il PMS è critica, non solo per l’impingement, ma anche sotto l’aspetto dell’evaporazione del combustibile. Infatti, in conseguenza dell’impingement l’evaporazione del

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film di combustibile è più lenta. Ciò comporta che al momento dell’accensione sia ancora presente combustibile liquido, con conseguente impoverimento del resto della carica.[24]

0,0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1,0 300 310 320 330 340 350 Angolo di manovella Vapore e liquido di combustibile Liquido Vapore

Fig. 10.9 - Vapore e Liquido di combustibile relativo all’iniettata a 328°

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Fig. 10.11 - Vapore e Liquido di combustibile relativo all’iniettata a 332°

0,0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1,0 300 310 320 330 340 350 Angolo di manovella vapore e liquido di combustibile Liquido Vapore

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10.3.1 Le mappe del rapporto di equivalenza

Nel seguito saranno illustrate le mappe del rapporto di equivalenza per le fasature considerate.

Fig. 10.13 - Mappa del rapporto di equivalenza relativa all’iniezione a 328° dopo il PMS. La mappa è calcolata sul piano di simmetria del motore, 340° dopo il PMS, a 3000 giri al minuto con carico al 30%. La griglia permette di localizzare la posizione ottimale per gli elettrodi della candela.

Fig. 10.14 - Mappa del rapporto di equivalenza relativa all’iniezione a 328° dopo il PMS. La mappa è calcolata sul piano di simmetria del motore, 340° dopo il PMS, a 3000 giri al minuto con carico al 30%. Rispetto alla mappa precedente si riporta anche l’andamento del campo di moto.

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Fig. 10.15 - Mappa del rapporto di equivalenza relativa all’iniezione a 330° dopo il PMS. La mappa è calcolata sul piano di simmetria del motore, 340° dopo il PMS, a 3000 giri al minuto con carico al 30%. La griglia permette di localizzare la posizione ottimale per gli elettrodi della candela.

Fig. 10.16 - Mappa del rapporto di equivalenza relativa all’iniezione a 330° dopo il PMS. La mappa è calcolata sul piano di simmetria del motore, 340° dopo il PMS, a 3000 giri al minuto con carico al 30%. Rispetto alla mappa precedente si riportano anche l’andamento del campo di moto e la relativa scala.

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Fig. 10.17 - In alto la mappa del rapporto di equivalenza relativa all’iniezione a 330° dopo il PMS, calcolata sul piano di simmetria e sul piano distante 6.30 mm rispetto al PMI. Rilevata 340° dopo il PMS, a 3000 giri al minuto con carico al 30% . In basso la stessa mappa calcolata sul piano di simmetria e sul piano distante 6.45mm rispetto al PMI.

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Scintilla

Fig. 10.18 - Mappa del rapporto di equivalenza relativa all’iniezione a 332° dopo il PMS. La mappa è calcolata sul piano di simmetria del motore, 340° dopo il PMS, a 3000 giri al minuto con carico al 30%. La griglia permette di localizzare la posizione ottimale per gli elettrodi della candela

Fig. 10.19 - Mappa del rapporto di equivalenza relativa all’iniezione a 332° dopo il PMS. La mappa è calcolata sul piano di simmetria del motore, 340° dopo il PMS, a 3000 giri al minuto con carico al 30%. Rispetto alla mappa precedente si riportano anche l’andamento del campo di moto e la relativa scala.

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Fig. 10.20 - In alto la mappa del rapporto di equivalenza relativa all’iniezione a 332° dopo il PMS, calcolata sul piano di simmetria e sul piano distante 6.40 mm rispetto al PMI. Rilevata 340° dopo il PMS, a 3000 giri al minuto con carico al 30%. In basso la stessa mappa calcolata sul piano di simmetria e sul piano distante 6.45mm rispetto al PMI.

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Fig. 10.21 - In alto la mappa del rapporto di equivalenza relativa all’iniezione a 335° dopo il PMI, calcolata sul piano di simmetria del motore, 340° dopo il PMS, a 3000 giri al minuto con carico al 30%. Al centro la stessa mappa con in più l’andamento del campo di moto e la relativa scala. In basso l’immagine delle gocce non ancora evaporate confermano la presenza della fase liquida.

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Fig. 10.22 - In alto, la mappa del rapporto di equivalenza relativa all’iniezione a 335° dopo il PMS, calcolata sul piano di simmetria e sul piano distante 6.30 mm rispetto al PMI. Rilevata 340° dopo il PMS, a 3000 giri al minuto con carico al 30%. In basso la stessa mappa calcolata sul piano di simmetria e sul piano distante 6.40mm rispetto al PMI, si noti come il rapporto di equivalenza sia

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La mappa, relativa al ritardo di iniezione di 328° (figura 10.13 e 10.14), appare inadeguata dal punto di vista della distribuzione del vapore di benzina; nella zona della candela non si riesce ad ottenere il giusto rapporto di equivalenza.

Al contrario, la mappa relativa al ritardo di iniezione di 330°, presenta una buona forma per quel che riguarda la distribuzione di vapore; altrettanto non si può dire per il rapporto di equivalenza: nella zona della candela la miscela è piuttosto povera e solo lontano da essa si ottiene il giusto valore per l’equivalence ratio.

Nel caso di ritardo di iniezione di 332° (figura 10.20) si ottiene l’ottimo. Il rapporto di equivalenza si presenta distribuito nella maniera ideale, con i giusti valori, proprio nell’intorno degli elettrodi della candela.

Ritardando ulteriormente (caso di 335°), le cose peggiorano vistosamente: il combustibile non riesce ad evaporare completamente prima dell’accensione. Ciò era già ampiamente emerso nell’analisi dei dati macroscopici (vedi figura 10.8 e 10.12) e viene a sua volta confermato dalle mappe locali del rapporto di equivalenza; la presenza di liquido è evidenziata dal valore del rapporto di equivalenza, molto elevato in varie zone della nuvola di vapore (figura 10.22). La figura 10.21 conferma la presenza di pacchetti di gocce in camera, anche se di diametro molto piccolo.

10.4 Simulazione a 3000 giri al minuto e carico al 50%

La simulazione relativa al carico del 50%, viene svolta in regime di semistratificazione della carica: in camera è presente ovunque miscela aria/combustibile, la quale è tanto più ricca, quanto più è vicina agli elettrodi della candela. Considerando che la quantità di combustibile necessario ad ottenere il carico del 50%, è pari 8.73 mgr, per ottenere la semistratificazione, iniettiamo circa l’80% del combustibile durante la fase di aspirazione, ad una pressione di 125 Bar (leggermente più alta dei soliti 110 Bar, al fine di polverizzare meglio), e il restante 20% con un ritardo 332° dopo il PMS; ciò con l’intento di ottenere un rapporto di equivalenza pari circa ad uno, proprio nell’intorno degli elettrodi della candela (figure 10.24 e 10.26). Nella figura 10.23 si mostra l’evoluzione della miscela nel cilindro, dovuta all’iniezione, praticata durante la fase di aspirazione.

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C.A. 100° C.A. 150°

C.A. 270° C.A. 298°

Fig. 10.23 - Mappe del rapporto di equivalenza relative alla prova con carica semistratificata. Le mappe mostrano l’evoluzione della carica durante la fase di aspirazione; si ottiene una buone omogenizzazione già nell’intorno dei 298°. L’80% del combustibile è iniettato durante la fase di aspirazione, il restante 20%, 332° dopo il PMS.

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Scintilla

Fig. 10.24 - Mappa del rapporto di equivalenza successiva all’iniezione del 20% del combustibile, 332° dopo il PMS. La mappa è calcolata sul piano di simmetria del motore, 340° dopo il PMS, a 3000 giri al minuto con carico al 50%. La griglia permette di localizzare la posizione ottimale per gli elettrodi della candela.

Fig. 10.25 - Mappa del rapporto di equivalenza successiva all’iniezione del 20% del combustibile, 332° dopo il PMS. La mappa è calcolata sul piano di simmetria del motore, 340° dopo il PMS, a 3000 giri al minuto con carico al 50%. Rispetto alla mappa precedente si riportano anche l’andamento del campo di moto e la relativa scala.

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Fig. 10.26 - In alto la mappa del rapporto di equivalenza relativa all’iniezione del restante 20% 332° dopo il PMS; calcolata sul piano di simmetria e sul piano distante 6.30 mm rispetto al PMI. Rilevata 340° dopo il PMS, a 3000 giri al minuto con carico al 50%. In basso la stessa mappa calcolata sul piano di simmetria e, sul piano distante 6.45mm rispetto al PMI.