CAPITOLO 6

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Capitolo 6

Analisi di modelli con geometria reale del motore

6.1 Introduzione

In questo capitolo vengono descritti i risultati ottenuti sulla stratificazione della carica con i modelli più complessi realizzati in questa tesi e maggiormente aderenti alla geometria del prototipo.

Tuttavia è da ricordare che nessun modello esaminato è la riproduzione esatta del motore reale per le semplificazioni geometriche introdotte ed a causa dei vincoli imposti al disegno per la realizzazione della mesh multiblocco strutturata richiesta dal solutore Kiva3v.

Tuttavia i risultati ottenuti possono comunque fornire indicazioni (qualitative) utili per la futura messa a punto della centralina e del motore al banco.

6.2 Descrizione del modello di motore reale

6.2.1 Il disegno del modello

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Le Fig. 6.1 e 6.2 sono foto scattate alla testa ed al pistone del motore reale.

Rispetto alle geometrie analizzate nei paragrafi precedenti, il motore reale è caratterizzato da una testa di forma leggermente diversa (Figure 6.3 e 6.4) con una lieve rientranza nella zona della candela

Figura 6.3 Modello con geometria reale della testa

Figura 6.4 Uno dei modelli descritti precedentemente

Figura 6.5 Distanza dall’asse del cilindro Figura 6.6 Distanza dal pistone al PMS

La candela è stata posizionata sulla base delle misure condotte sul prototipo: -l’asse della candela forma un angolo di 33° con l’asse del cilindro;

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Come descritto precedentemente, il piccolo deflettore presente sullo stantuffo reale (Figg. 6.7 e 6.8) differisce da quello del pistone ideato presso il Dipartimento di Energetica (Fig. 6.9) perché è leggermente scavato per fresatura.

Figura 6.7 Vista dal lato della bowl del pistone reale (File tetin)

Figura 6.8 Pistone reale. In questa figura è possibile notare il deflettore leggermente scavato

Figura 6.9 Pistone disegnato sulla base degli studi CFD condotti presso il Dipartimento di Energetica

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I travasi e lo scarico sono gli stessi adottati su tutti i modelli.

In Fig. 6.10 è rappresentato l’intero modello CAD (File .prt) del prototipo.

Figura 6.10 Il modello CAD del motore reale realizzato con Pro Engineer

6.2.2 Realizzazione della Mesh

Una volta generato il file tetin tramite l’interfaccia tra Pro Engineer ed Ansys Icem CFD è stata importata la geometria nel preprocessore secondo la procedura descritta al Capitolo 2.

La griglia di calcolo creata per questo modello presenta molte differenze ed è molto più complessa rispetto a quelle generate precedentemente; infatti per ottenere la mesh del pistone con deflettore scavato è stato necessario definire una nuova famiglia di volume ed identificarla con il flag bowl.

In questo modo è possibile generare una mesh strutturata del pistone “reale” che esternamente segue la geometria dello stantuffo analizzato nei casi precedenti ma presenta celle fluide nella zona scavata (figure 6.11-6.12-6.13).

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Figura 6.11 Figura 6.12Il blocco di celle fluide è cerchiato in rosso

Figura 6.13Mesh del pistone con geometria reale

Per realizzare tale griglia di calcolo è stata adottata un’idonea divisione in blocchi del modello e si è reso necessario un lungo lavoro di messa a punto per ridurre il numero delle celle non convesse; infatti ottenere celle di buona qualità, ossia con piccolo scostamento rispetto alla forma ideale (esaedro regolare), consente di ridurre i tempi di calcolo ed evitare problemi di overflow.

Confrontando le figure 6.14 e 6.15 emerge una profonda differenza nella distribuzione delle celle sulle testate dei due motori; tale differenza è legata sia alle diversa geometria nella zona della candela ma anche al fatto che nel caso del pistone reale per realizzare la mesh della superficie scavata sono necessarie un maggior numero di suddivisioni.

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Figura 6.14Mesh della geometria reale Figura 6.15Geometria semplificata

Figura 6.16Particolare della mesh della geometria reale Figura 6.17 Particolare della mesh di fig.6.15

6.2.3 Simulazione a 1800 giri/min ed 1/5 del carico

Anche nel caso del modello di motore reale la fasatura dell’iniezione adottata per il regime di rotazione di 1800 giri/min ed 1/5 del carico massimo prevede:

-inizio di iniezione a 312°;

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Di seguito vengono riportati i risultati relativi al campo di moto (vettori velocità della fase gassosa) ed alle mappe del rapporto di equivalenza(valore locale del rapporto aria benzina rispetto al titolo stechiometrico) ottenuti in questa condizione di funzionamento.

6.2.3.1 Analisi del campo di moto

Analogamente ai modelli analizzati in precedenza, nel caso con geometria reale si instaura un tumble utile alla risalita delle gocce e del vapore di combustibile dal pistone verso la candela (Fig. 6.18).

Il campo di moto rappresentato in Fig. 6.19 relativo a 340° angoli di manovella presenta le velocità più alte in corrispondenza del deflettore per il sommarsi del tumble con l’effetto squish.

Figura 6.18 Campo di moto a 328°

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A 350° vengono raggiunte velocità superiori (circa 18 m/s) per il maggior effetto squish.

E’ da notare che nel motore reale la superficie scavata sul deflettore del pistone guida il flusso in modo diverso rispetto ai casi precedenti: confrontando i risultati appena ottenuti con quelli del campo di moto rappresentato in Fig. 6.21 si notano differenze nel modulo e nella direzione dei vettori relativi alle velocità più alte.

Nella geometria reale lo squish è maggiormente indirizzato verso il centro della camera e le velocità sono superiori di circa 6 m/s.

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6.2.3.2 Analisi del processo di formazione della carica stratificata

Le mappe seguenti (Figure 6.22, 6.23, 6.24) rappresentano la distribuzione del rapporto tra il titolo che si realizza in camera e la condizione stechiometrica e descrivono il processo di formazione della carica stratificata.

Figura 6.22 Rapporto di equivalenza nel caso del modello con geometria reale (328°)

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Figura 6.25 Rapporto di equivalenza nel caso di modello di motore senza candela d’accensione ottenuto su un piano orizzontale a 46.5 mm dal PMI

Dall’analisi del rapporto di equivalenza è possibile verificare quanto descritto a proposito del campo di moto e cioè una risalita della nuvola verso la candela. In queste condizioni di funzionamento (1800 giri/min ; 1/5 del carico) il rapporto di equivalenza che si realizza nella zona d’accensione a 350° è pari ad 1 e quindi al titolo stechiometrico.

Il campo di moto che si instaura nel cilindro e la fasatura dell’iniezione adottata consentono quindi di ottenere una nuvola gassosa con rapporto di miscela sufficiente a garantire un innesco sicuro.

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Le figure da 6.26, 6.27 e 6.28 rappresentano il campo di velocità presente nel modello a 3000 giri/min ed 1/3 del carico.

La fasatura dell’iniezione per il caso a 3000 giri/min ed 1/3 prevede:

-inizio iniezione a 307°

-durata dell’iniezione pari a 9°

Figura 6.26 Campo di moto a 3000 giri/min e 328°

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Figura 6.28 Campo di moto a 3000 giri/min e 350°

Il campo di moto che si instaura nella camera in queste condizioni presenta caratteristiche analoghe al caso a 1800 giri/min e le maggior velocità registrate sono legate al regime di rotazione superiore (la turbolenza è legata alla velocità di rotazione del motore).

La geometria reale è adatta a realizzare carica stratificata nella zona della candela anche nel caso di funzionamento a 3000 giri/min ed 1/3 del carico.

Il rapporto di equivalenza che si ottiene nella zona di accensione a 350° (Fig. 6.31) è pari ad 1,4 e quindi si è in presenza di una miscela aria-combustibile leggermente ricca che garantisce un innesco sicuro.

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Figura 6.30 Rapporto di equivalenza a 340°

Per valutare la stabilità della stratificazione della carica ottenuta ai bassi regimi è stato considerato il caso di funzionamento del motore a 6000 giri/min ed 1/3 del carico anche nel caso del modello con geometria reale.

Analogamente ai casi descritti precedentemente i parametri riguardanti la fasatura dell’iniezione per il caso a 6000 giri/min ed 1/3 del carico massimo sono:

-inizio iniezione a 285°

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Il campo di moto del gas a 328° (Fig. 6.30) ottenuto con la geometria reale è caratterizzato da una velocità massima di modulo pari a circa 35 m/s. Tale valore viene raggiunto all’uscita dalla corona di squish dove in questo caso i vettori della velocità possiedono una forte componente orizzontale.

Il flusso ad alta velocità risulta quindi indirizzato verso la zona d’accensione anziché verso l’alto, sulla superficie della testa.

A 342° angoli di manovella (Fig.6.31) nella zona d’accensione le velocità raggiunte per il sommarsi del tumble e dell’effetto squish sono dell’ordine dei 50 m/s.

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Le mappe del rapporto di equivalenza nel caso di funzionamento a 6000 giri/min ed 1/3 del carico mostrano come in questa condizione la geometria del motore reale non sia in grado di permettere la realizzazione carica stratificata nella zona della candela.

A 342° (Fig. 6.33) la nuvola con titolo idoneo ad una accensione sicura è troppo lontana dagli elettrodi della candela.

Per valutare se il problema della mancata stratificazione sia da attribuire alla fasatura dell’iniezione o al campo di moto che si realizza con la geometria reale, sono state effettuate varie prove aumentando l’anticipo di iniezione (in presenza di un campo di moto adeguato alla

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risalire verso la candela). In queste simulazioni non sono state riscontrate differenze apprezzabili nella posizione della nuvola che, al variare dell’anticipo d’iniezione rimane troppo bassa e lontana dalla candela.

Il campo di moto della fase gassosa che si genera a 6000 giri/min ed 1/3 del carico nel caso di geometria del motore reale è insoddisfacente ai fini dell’ottenimento della stratificazione della carica.

L’impossibilità di realizzare carica stratificata in queste condizioni di funzionamento è da imputare alla superficie scavata sul deflettore del pistone. La geometria del cielo dello stantuffo non è infatti in grado di indirizzare in modo adeguato l’effetto squish che genera una forte diluizione della carica nella zona della candela.

Anche il moto di tumble non è soddisfacente ai fini della risalita della nuvola verso la candela: il flusso che segue la geometria del pistone fino ad incontrare l’effetto squish si mantiene basso e diretto verso l’esterno della camera.

Figura 6.34 Mappa del rapporto di equivalenza ottenuta con due piani ortogonali passanti nella zona dell’accensione.

In figura 6.34 è possibile notare quanto la nuvola sia lontana dalla zona dell’accensione.

6.3 Realizzazione di un modello di motore con reale geometria della

testa e pistone della geometria semplificata

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geometria reale, è stato disegnato un ulteriore geometria. Tale geometria è caratterizzata dalla testa del prototipo e dal pistone con deflettore “integro” come nei casi analizzati nei capitoli precedenti.

Mantenendo geometria della testa, posizione e tipologia della candela d’accensione, è stata verificata la responsabilità della superficie scavata sul pistone reale sulla mancata realizzazione della carica stratificata nel caso del motore reale a 6000 giri/min ed 1/3 del carico.

6.3.1 Il disegno del modello

Il file Tetin con la reale geometria della testa e pistone della geometria semplificata è rappresentato in Fig. 6.35.

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Confrontando la Fig. 6.35 con la Fig. 6.36 relativa alla reale geometria della camera di combustione è possibile notare la differente forma del deflettore nei due casi.

6.3.2 Realizzazione della Mesh

Per quanto possibile si è cercato di mantenere la stessa distribuzione delle celle nella zona della testa del caso con geometria reale in modo da poter effettuare un confronto dei risultati ottenuti con griglie di calcolo analoghe.

La fasatura dell’iniezione adottata è la solita dei casi precedenti in queste condizioni di funzionamento.

Il campo di moto che si instaura in quest’ultima geometria presenta forti differenze nella zona del deflettore rispetto al caso con geometria reale.

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A 350° (Fig. 6.39) l’ultima geometria di camera di combustione realizzata presenta, in corrispondenza del deflettore, tumble ed effetto squish indirizzati verso la testa della camera. Questo risultato 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 miscela nella zona d’accensione ed al tempo stesso far risalire la nuvola dal pistone verso l’alto.

Le mappe relative al rapporto di equivalenza nel caso a 1800 giri/min ed 1/5 del carico presentano ottimi risultati dal punto di vista della stratificazione della carica:a 350° (Fig. 6.42) una nuvola di miscela con titolo quasi stechiometrico è localizzata in zona candela.

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funzionamento.

Utilizzando il pistone con deflettore integro il flusso ad alta velocità in uscita dalla corona di squish è guidato in modo efficace ed indirizzato verso l’alto anche nel caso a 3000 giri/min ed 1/3 del carico.

Dato il buon risultato ottenuto anche in questo caso, vengono riportate solo due immagini relativamente al campo di moto che si instaura a 328° ed a 350° (Fig. 6.43 e 6.44)

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Il campo di moto ottenuto con la geometria in esame garantisce, assieme alla fasatura dell’iniezione messa a punto (anticipo a 307° e durata pari a 9°), una buona stratificazione della carica.

A 350° (Fig. 6.46) il rapporto di equivalenza che si realizza nella zona d’accensione è leggermente ricco (variabile da 1,3 ad 1,6).

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Con il deflettore integro si realizzano ottime caratteristiche del campo di moto anche a 6000 giri/min ed 1/3 del carico massimo. Infatti, contrariamente a quanto accade sul motore reale, si ha un moto di tumble e legato all’effetto squish opportunamente indirizzati verso la testa del motore.

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Dalle mappe relative al rapporto di equivalenza nel caso della nuova geometria della camera di combustione a 6000 giri/min e 1/3 del carico massimo (Fig. 6.49 e 6.50) è evidente la stratificazione della carica attorno alla candela. Il titolo presente nella zona d’accensione è sufficiente per un innesco sicuro della miscela aria-combustibile.

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carica a basso regime ed a basso carico.

Rispetto alla forma reale del motore l’ultima geometria risulta essere meno sensibile a variazioni del campo di moto ai fini della realizzazione della stratificazione della carica nella zona della candela.

La maggior stabilità della stratificazione ottenuta è quindi da imputare alla presenza di un pistone con deflettore integro.