CAPITOLO 6
Analisi CFD
6.1 Introduzione
Parallelamente al lavoro sperimentale oggetto di questa tesi è stato effettuato, sempre presso il Dipartimento di Energetica, anche un complesso lavoro di analisi numerica con codici di calcolo CDF, lavoro del quale andiamo ad elencare i risultati più importanti, in special modo quelli ottenuti con l’ultimo codice di calcolo utilizzato, il FIRE AVL.
Come detto nel capitolo 2, la sopravvivenza del motore a 2T per uso motociclistico è subordinata alla corretta applicazione di sistemi di iniezione diretta abbinati a strategie di stratificazione della carica. Uno degli aspetti più difficili da risolvere è quello di ottenere una stratificazione della carica stabile in tutte le condizioni operative del motore.
Gli studi condotti presso il Dipartimento di Energetica dell’Università di Pisa tramite codici CFD hanno portato al miglioramento delle conoscenze su tale argomento [25, 26, 27, 28, 29, 30, 31 e 32]. In particolare, sono state individuate alcune geometrie e strategie atte a migliorare le condizioni di miscelazione e/o confinamento della carica, ed in particolare:
L’iniezione controcorrente favorisce la diffusione del combustibile aumentandone la miscelazione con l’aria. Questo è un aspetto positivo anche ai bassi carichi dal momento che evita un’eccessiva concentrazione di combustile.
La camera di combustione deve avere una geometria simmetrica per 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.
L’ottenimento ed il mantenimento, durante tutta la fase di compressione, di un moto di tumble, 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 ed ai bassi consente di indirizzare verso la candela 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.
La camera di combustione deve essere 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. Un piccolo deflettore, che delimita l’incavo del pistone, ed una testa con raccordo tra la base e la parte superiore (fig. 6.1) forniscono una soluzione al problema di indirizzare lo squish in maniera adeguata, promuovendo la stabilità del tumble ed il confinamento della nuvola di combustibile attorno alla candela al momento dell’accensione.
6.2 Geometria della camera di combustione
Il risultato dei sopra citati fattori strategici è rappresentato dalla definizione di una camera di combustione abbinata ad una testa del pistone, illustrati in figura 6.1, adottati sul prototipo oggetto della presente tesi.
In particolare, la testa del motore è stata modellata con una geometria denominata “a berretto di fantino”, mentre il pistone (fig. 6.2) è caratterizzato dalla presenza sulla sua testa di due deflettori di diversa grandezza e di un incavo, tutto per raccogliere nel modo migliore il carburante nell’intorno della candela.
Figura 6.1 – Geometria della testa e del pistone. Il cerchio rosso evidenzia sia il raccordo tra testa e corona di squish che il deflettore sul pistone
Figura 6.2 - Pistone
Nella figura 6.3 (vedi anche capitolo 3) vengono riportate le immagini reali del pistone e della testa del cilindro adottati nella sperimentazione.
6.3 Indagine numerica
Inizialmente le simulazioni sono state svolte tramite il codice di calcolo KIVA 3V, grazie al quale è stato possibile arrivare a definire l’attuale geometria della camera di combustione del motore.
Per meglio chiarire i fenomeni legati alla stratificazione della carica ed alla parzializzazione dell’aria in ingresso motore ai bassi carichi, è stata intrapresa una nuova indagine CFD utilizzando il codice “FIRE” assieme a nuove e più precise condizioni al contorno fornite con il lavoro della presente tesi. Il codice FIRE permette infatti una più agevole e precisa formazione della griglia di calcolo (mesh) e soprattutto, grazie ad un post-processore dedicato, consente una migliore interpretazione e visualizzazione dei fenomeni fluidodinamici interni al motore.
Da notare comunque che entrambi i codici (KIVA e FIRE) consentono di simulare il comportamento di fluidi non stazionari, comprimibili ed in tre dimensioni.
6.4 Impostazione della nuova indagine numerica con codice FIRE
Con il codice FIRE la geometria del motore è stata modellata senza importanti semplificazioni (fig. 6.4 e 6.5); infatti sia le luci di lavaggio che la luce di scarico sono state riprodotte fedelmente nel modello CFD; è stata inoltre modellata anche la candela, come illustrato nella figura 6.6, dato che il volume che occupata non può essere ritenuto trascurabile in un motore di piccola cilindrata.
Sfruttando la simmetria del motore, solo la metà del volume è stato considerato nel calcolo CFD, come mostrato in figura 6.7.
Figura 6.5 - Nuova griglia di calcolo utilizzata con il FIRE
Figura 6.6 - Geometria della candela compresa nel volume della camera di combustione
Da notare che le luci di lavaggio e quelle di scarico, così come la candela ed il resto della camera di combustione (fig. 6.8) sono state “modellate” a parte utilizzando delle apposite celle esaedriche che meglio riproducono le geometrie complesse. Tali elementi sono stati aggiunti in seguito alla griglia di calcolo principale tramite un software dedicato incluso nel FIRE.
Figura 7.7 - Domino considerato nel calcolo CFD
6.4.1 Nuove condizioni al contorno
Come accennato in precedenza, la simulazione con il codice FIRE si è avvalsa di nuove e più precise condizioni al contorno grazie all’attività sperimentale, oggetto della presente tesi, che ha fornito datiriguardanti l’andamento della pressione nel cilindro, nei travasi ed allo scarico.
L’analisi numerica, non potendo, per ovvie ragioni di tempi di calcolo, analizzare il comportamento del motore a tutti i regimi di rotazione e carichi, si è concentrata sull’analisi delle prestazioni a 7000 giri/min, che corrisponde circa al regime di massima potenza, e a 4000 giri/min, regime caratteristico quando si richiedono al motore basse potenze.
Nelle figure 6.9 e 6.10 vengono illustrate le curve di pressione nel cilindro utilizzate nell’analisi CFD, e cioè i valori nei travasi e allo scarico a 4000 giri/min, ¼ del carico, rispettivamente a piena apertura e utilizzando un rapporto d’aria del 70% (al momento della stesura della presente tesi erano state eseguite solo le simulazioni con un grado di parzializzazione pari ad un rapporto d’aria del 70%); nelle figure 6.11 e 6.12 vengono invece riportati gli andamenti delle pressioni a 7000 giri/min a pieno carico ed a ¼ del carico, solo a piena apertura.
0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 1.6 -180 -120 -60 0 60 120 180 Angolo di manovella P l u c i l ava g g io e s car ic o [b ar ] 0 5 10 15 20 25 30 35 P c il indr o [ ba r]
P luci lavaggio P scarico P cilindro
0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 -180 -120 -60 0 60 120 180 Angolo di manovella P l u ci l ava g g io e s car ico [ b ar ] 0 5 10 15 20 25 30 35 P c ilin d ro [ b a r]
P luci lavaggio P scarico P cilindro
Figura 6.10 - Dati di pressione a 4000 giri/min e 1/4 carico (70% aria aspirata)
0 0.5 1 1.5 2 -180 -120 -60 0 60 120 180 Angolo di manovella P l u ci l ava g g io e s car ico [ b ar ] 0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 P c il indr o [ b a r]
P luci lavaggio P scarico P cilindro
0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 1.6 1.8 2 -180 -120 -60 0 60 120 180 Angolo di manovella P l u ci l av ag g io e s car ico [ b ar ] 0 5 10 15 20 25 30 35 40 P ci li n d ro [b ar ]
P luci lavaggio P scarico P cilindro
Figura 6.12 – Dati di pressione a 7000 giri/min e ¼ del carico
Grazie ai dati reali delle pressioni in ingresso e uscita motore, il risultato del calcolo numerico è di notevole precisione, come mostrato nelle figure 6.13 e 6.14 che riportano il confronto dell’andamento della pressione simulata e rilevata nel cilindro.
0 100 200 300 400 500 600 700 90 120 150 180 210 240 270 Angolo di manovella P ress io n e (kPa) Risultati CFD Dati sperimentali
0 100 200 300 400 500 600 700 90 120 150 180 210 240 270 Angolo di manovella Pr e s s ione ( k Pa ) Risultati CFD Dati sperimentali
Figura 6.14 - Confronto dell’andamento della pressione nel cilindro a 4000 giri/min e ¼ carico max
L’analisi numerica si è avvalsa anche di un modello di spray più preciso grazie alla caratterizzazione effettuata in una precedente tesi [37] dello spray generato dall’iniettore ad alta pressione Siemens.
Nelle figure 6.15 e 6.16 sono riportate le immagini dello spray, a diversi istanti dopo l’apertura dell’iniettore e con diverse pressioni dell’ambiente di iniezione, confrontate con le corrispondenti ottenute con la simulazione. È possibile notare il classico restringimento del cono dello spray all’aumentare della pressione dell’ambiente di iniezione. Inoltre, soprattutto con le pressioni dell’ambiente di iniezione più elevate, sussiste un ottimo accordo tra i risultati della visualizzazione e quelli della simulazione, fattore di estrema importanza per una corretta simulazione dei processi di formazione della carica e della sua stratificazione all’interno del cilindro.
(a) (b) (c) (d) (e) (f)
Figura 6.15 - Confronto tra i risultati della visualizzazione dello spray (a destra) e quelli della simulazione numerica (a sinistra), con una pressione ambiente di 100 kPa, a diversi istanti dopo l’apertura dell’iniettore: 0,3
(a) (b) (c) (d) (e) (f)
Figura 6.16 - Confronto tra i risultati della visualizzazione dello spray (a destra) e quelli della simulazione numerica (a sinistra), con una pressione ambiente di 450 kPa, a diversi istanti dopo l’apertura dell’iniettore: 0,3
ms (a), 0,4 ms (b), 0,5 ms (c), 0,6 ms (d), 0,7 ms (e), 0,8 ms (f).
6.5 Risultati numerici con farfalla di aspirazione aperta
Sono state effettuate simulazioni CFD a 7000 giri/min a pieno carico (carica omogenea) ed ai carichi parziali (carica stratificata), considerando la valvola a farfalla completamente aperta. Nei vari casi la simulazione mostra una corretta distribuzione del combustibile al momento dell’accensione.
In figura 6.17 riportiamo l’andamento del titolo e della distribuzione del combustibile al momento della chiusura della luce di scarico. In questo caso l’iniezione inizia a 142° prima del PMS, giusto in tempo ad evitare fuoriuscite di combustibile dalla luce di scarico. La figura 6.18 mostra invece la distribuzione del titolo 20° prima del PMS (circa il momento dell’accensione), sempre a 7000 giri/min: è possibile notare una corretta omogeneità della carica nei pressi degli elettrodi.
Figura 6.17 - Risultati CFD dello spray e della distribuzione della carica a pieno carico e 7000 giri/min, al momento della chiusura della luce di scarico
Figura 6.18 - Risultati CFD dello spray e della distribuzione della carica a pieno carico e 7000 giri/min, 20° prima del PMS
I risultati CFD, sempre a 7000 giri/min ma ad ¼ del carico massimo, sono mostrati in figura 6.19. In questo caso l’iniezione inizia a 90° prima del PMS. A 20° prima del PMS si osserva una corretta stratificazione della carica con titolo praticamente stechiometrico nei dintorni della candela ed assenza di combustibile nella periferia del cilindro.
L’analisi numerica a 7000 giri/min conferma quindi la bontà della geometria della camera di combustione scelta, dato che questa garantisce la corretta distribuzione del combustibile sia a pieno carico (cioè in condizioni di carica omogenea) che ai carichi parziali (carica stratificata).
Figura 6.19 - Risultati CFD dell’andamento dello spray e della distribuzione della carica ad ¼ del carico massimo e 7000 giri/min
6.6 Confronto risultati numerici ad ¼ del carico massimo in
parzializzato e non
Come evidenziato nel capitolo 5, la possibilità di operare in ogni condizione operativa con farfalla di aspirazione completamente aperta, se da un lato è sintomo di una corretta stratificazione della carica, dall’altro non necessariamente porta ai migliori risultati complessivi ai bassi carichi, soprattutto per quanto riguarda il consumo specifico e le emissioni di HC. Un approfondito studio numerico è stato dedicato all’analisi del comportamento del motore ad ¼ del carico massimo, a diversi regimi di rotazione e del grado di parzializzazione. Come per la sperimentazione, anche i risultati dell’analisi CFD mostrano come un certo grado di parzializzazione migliori il comportamento del motore ai bassi carichi.
Un confronto, tra i risultati in condizioni di parzializzazione e non, è riportato nelle figure 6.20, 6.21 e 6.22, dove si evidenziano gli andamenti, a vari angoli di manovella, rispettivamente: della temperatura media nel cilindro, della frazione di CO2 e del momento della quantità di moto dei gas lungo la direzione y normale al piano di simmetria del cilindro (moto di “Tumble”). Tutte e tre le figure si riferiscono a 4000 giri/min ed ¼ del carico max, mentre le condizioni di parzializzazione sono ottenute utilizzando un rapporto d’aria del 70%. Come mostrato anche nei risultati sperimentali, la temperatura media dei gas nel cilindro aumenta all’aumentare del grado di parzializzazione, a tutto vantaggio della velocità di evaporazione dello spray di combustibile e della combustione. Inoltre, la maggiore quantità di CO2 nel cilindro all’aumentare della parzializzazione indica una maggiore quantità di gas combusti alla fine della fase di lavaggio, fattore importante per l’abbattimento degli NOx in quanto contribuisce a mantenere più basse le temperature durante la fase di combustione. È da notare infine come la quantità di moto del tumble, e quindi le condizioni fluidodinamiche nel cilindro, non subiscano significative variazioni all’aumentare della parzializzazione e questo fa sì che i moti ottimali della carica, studiati in condizioni di piena apertura della valvola di aspirazione, non subiscano particolari variazioni con la parzializzazione. Nelle figure 6.23 e 6.24 sono messi a confronto, rispettivamente, i risultati della simulazione a 4000 giri/min e ¼ del carico massimo, per i casi di piena apertura della valvola di aspirazione e di parzializzazione con un rapporto d’aria del 70%. Nel caso di piena apertura l’iniezione inizia a 73° prima del PMS, mentre parzializzando, l’iniezione ha inizio 80° prima del PMS (valore coincidente con quello trovato come ottimale durante la sperimentazione), quindi 7° prima rispetto alle condizioni di piena apertura. Come illustrato nel paragrafo 5.3.4, il maggior anticipo d’iniezione all’aumentare della parzializzazione è dovuto alla minor grado di stratificazione richiesto, mentre il maggior anticipo di accensione è dovuto all’effetto inibitore dei gas combusti che rallentano le reazioni.
300 400 500 600 700 800 900 1000 1100 90 120 150 180 210 240 270 300 330 Angolo di manovella (°) T e m p e ra tu ra c ilin d ro (K ) Parzializzato Farfalla aperta
Figura 6.20 - Risultati CFD sull’andamento della temperature media nel cilindro in condizioni parzializzazione e non, avari angoli di manovella dopo il PMS, a 4000 giri min ed ¼ del carico max
0 0.01 0.02 0.03 0.04 0.05 0.06 0.07 0.08 0.09 0.1 90 120 150 180 210 240 270 300 330 Angolo di manovella (°) F razi one in m ass a ani d ri d e car bo ni ca
Parzializzato Farfalla aperta
Figura 6.21 - Risultati CFD sulla concentrazione media di CO2 nel cilindro in condizioni di parzializzazione e
non, a vari angoli di manovella dopo il PMS, a 4000 giri min ed ¼ del carico max
-5.0E-06 0.0E+00 5.0E-06 1.0E-05 1.5E-05 2.0E-05 2.5E-05 3.0E-05 90 120 150 180 210 240 270 300 330 Angolo di manovella (°) Mom ent o quant it à di m ot o nel la di rez ione y (1 /m in
) Parzializzato Farfalla aperta
Figura 6.22 - Risultati CFD sul momento angolare del Tumble in condizioni di parzializzazione e non, a avari angoli di manovella dopo il PMS, a 4000 giri min ed ¼ del carico max.
Figura 6.23 - Risultati CFD dell’evoluzione dello spray e del titolo ad ¼ del carico massimo e 4000 giri/min (piena apertura). Inizio iniezione 73° prima
del PMS.
Figura 6.24 - Risultati CFD dell’evoluzione dello spray e del titolo ad ¼ del carico massimo e 4000 giri/min (rapporto d’aria del 70%). Inizio iniezione
80° prima del PMS.
Tutte le considerazioni prima esposte, logicamente, sono valide non oltre un certo grado di parzializzazione, che si è trovato corrispondere sperimentalmente (vedi capitolo 5), sempre ad ¼ del carico massimo, ad un rapporto d’aria di circa il 35%.
