CAPITOLO 6

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CAPITOLO 6

STUDIO DEL MOTORE CON GEOMETRIA TRADIZIONALE

6.1 Introduzione

In questo paragrafo vengono mostrati i risultati delle simulazioni ottenuti con un motore con geometria tradizionale. L’ analisi condotta ha confermato i risultati attesi, ovvero che la carica stratificata viene distrutta dai moti provocati dalla combustione.

6.2 Geometria e griglia computazionale.

La geometria presa in considerazione per questo studio è quella mostrata nella figura 6.1, mentre le figure 6.2-6.4 riportano le immagini della griglia computazionale creata. Come si nota dalle figure la geometria è estremamente semplice. Sono stati infatti trascurati tutti i dettagli geometrici presenti in un motore reale ma non significativi ai fini dello studio, in modo da non complicare il processo di generazione della griglia ed avere delle celle di buona qualità. Infatti la qualità delle celle, quantificabile come lo scostamento che si registra rispetto alla forma ideale (nel caso in esame l’esaedro perfetto), come discusso nel capitolo 2, influenza notevolmente il tempo di calcolo. Per studiare accuratamente la fase di combustione è stato invece necessario realizzare una griglia molto fitta in particolare in prossimità della testata.

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Fig.6.3 : immagine della griglia sul Fig.6.4 :immagine della griglia su un piano piano di simmetria parallelo al piano di simmetria passante

per l’asse della valvola.

6.3 Analisi del campo di moto

La geometria con condotto tradizionale genera un moto prevalente di tumble con asse ortogonale al piano di simmetria. Il grafico di figura 6.8 mostra l’andamento del numero di tumble in funzione dell’angolo di manovella. Per i primi 50° il n° di tumble è positivo, dopodiché prevale il moto rotatorio dalla parte opposta (n° di tumble negativo). Il massimo del numero di tumble si ha quando l’alzata della valvola è massima (circa 135°) mentre durante la fase di compressione tale viene in buona parte dissipato dando origine a scale di turbolenza minori.

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Fig. 6.5: campo di moto su un piano verticale passante per l’asse della valvola 45°dopo il PMS.

Fig. 6.6: campo di moto su un piano verticale passante per l’asse della valvola 180°dopo il PMS.

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Fig. 6.7: campo di moto sul piano di simmetria 320° dopo il PMS.

Fig. 6.8: campo di moto sul piano di simmetria al momento dell’iniezione (334° dopo il PMS) .

-0.8 -0.6 -0.4 -0.2 0 0.2 0.4 0.6 0.8 0 50 100 150 200 250 300 Angolo di manovella N° di tumble

Fig.6.9:andamento del numero di tumble in funzione dell’angolo di manovella.

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6.4 Analisi del processo di formazione della carica stratificata

Le immagini nelle figure sottostanti (6.9-6.19) sono relative al processo di formazione della carica stratificata. Il regime di rotazione è 2000 giri al minuto, il carico è 1/3 di quello massimo mentre l’iniezione inizia a 334° (per altri dati si veda la tabella 6.1). E’ possibile notare che anche con una geometria di motore convenzionale si riesce ad ottenere una buona stratificazione della carica. Per avere una concentrazione di combustibile circa stechiometrica è necessario però porre la candela in posizione decentrata rispetto all’asse del cilindro, più spostata verso i condotti di scarico (fig.6.19).

Fig.6.9: rapporto di equivalenza 335° Fig.6.10: rapporto di equivalenza 336° dopo il PMS. dopo il PMS.

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Fig.6.19: rapporto di equivalenza 345° dopo il PMS.

L’utilizzo dell’iniettore pintle permette di ottenere una rapida evaporazione del combustibile come si vede dal grafico di figura 6.20; già molto prima dell’istante di accensione (si accende a circa 345°) la benzina è già totalmente allo stato di vapore eliminando così il rischio che il fronte di fiamma possa incontrare combustibile liquido con la conseguente formazione di particolato.

0% 20% 40% 60% 80% 100% 334 336 338 340 342 Angolo di manovella P er cen tu al e d i co mb u st ib ile evap o rat o

Fig.6.20: evaporazione del combustibile.

Apertura esterna cono (gradi) Apertura interna cono (gradi) Massa iniettata (mg) Velocità di uscita del liquido (m/s) Diametro medio di Sauter delle gocce all’uscita dell’ iniettore

(µm) Durata iniezione (ms) 86 70 6,1 130 35 0,2 Scintilla

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6.5 Risultati della prova di combustione.

Lo studio della fase combustione è stato la parte più importante del lavoro svolto sul motore con questa geometria. E’ stata presa in considerazione una combustione a 2000 giri al minuto ad 1/3 del carico massimo. Ai bassi carichi e a bassi regimi di rotazione è infatti più importante garantire una stratificazione stabile, sia in fase di compressione, sia in fase di combustione. Come visto nel paragrafo 6.3 anche con un disegno convenzionale della camera si riesce ad ottenere la stratificazione in fase di compressione e, posizionando correttamente la candela, una concentrazione di benzina attorno agli elettrodi della candela pressoché stechiometrica. Di conseguenza si avrà una sicura accensione e una combustione che nella fase iniziale si sviluppa rapidamente.

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Fig.6.28: mappe della temperatura e della concentrazione del combustibile 30° dopo del PMS.

Le figure 6.21-6.28 riportano le mappe della temperatura e la concentrazione di combustibile durante la fase di combustione. Come si nota dalle immagini, la combustione parte abbastanza rapidamente, ma la stratificazione viene distrutta dai moti causati dalla combustione. In particolare l’espansione dei gas, a seguito della propagazione del fronte di fiamma, provoca uno sparpagliamento in tutta la camera della benzina e di conseguenza una combustione lenta ed incompleta. Come si nota dalle figura 6.28 dopo circa 40° dall’inizio della combustione è presente in camera una quantità cospicua di combustibile ancora non bruciata (miscela ormai assai diluita). Il rischio dell’estinzione del fronte di fiamma è quindi molto elevato; infatti la combustione essendo lenta finisce lontano dal PMS quando i gas a causa dell’espansione si stanno raffreddando. La combustione sarà perciò incompleta e quindi in queste condizioni di funzionamento si avrà un elevata emissione di idrocarburi incombusti. Una camera di combustione tradizionale aperta non potrà essere quindi idonea alla stratificazione della carica perché è necessario confinare la stratificazione anche durante la fase di combustione.