Capitolo 2
Progettazione di un motore due tempi ad iniezione diretta e
carica stratificata
2.1 Studi sulla stratificazione della carica
Risulta difficile ottenere una stratificazione della carica stabile in tutte le condizioni operative del motore e, ai bassi carichi, evitare un’eccessiva diluizione e sparpagliamento del vapore di combustibile in conseguenza dell’espansione dei gas residui.
Gli studi condotti presso il dipartimento di Energetica dell’università di Pisa tramite codici CFD hanno portato ad una serie di conoscenze in merito al progetto di motori due tempi alimentati ad iniezione diretta e stratificazione della carica [19]:
-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;
-presenza e mantenimento durante tutta la fase di compressione di un moto di tumble che favorisce la risalita delle gocce e del vapore di combustibile dal pistone verso la testa della camera. Agli alti carichi questo porta alla realizzazione di una miscela di titolo omogeneo ed ai bassi consente di indirizzare 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. Ovviamente è necessario settare il corretto anticipo di accensione per ogni regime di rotazione;
parte superiore (Fig.2.1) 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.
Figura 2.1 Una delle geometrie realizzate in questa tesi. Il cerchio rosso evidenzia sia il raccordo tra testa e corona
di squish sia il deflettore sul pistone.
Di seguito vengono riportate descrizioni ed immagini degli studi condotti negli ultimi anni presso il dipartimento di Energetica dell’Università di Pisa e che hanno condotto alla realizzazione del prototipo oggetto di questa tesi [20].
2.1.1 Camera di forma convenzionale
Volendo valutare dapprima le potenzialità di una camera di forma convenzionale ai fini della realizzazione di una stratificazione di buona qualità e stabile al variare delle condizioni operative sono stati disegnata inizialmente una testa assialsimmetrica e pistone dalla geometria “tradizionale”.
Figura 2.2 Rapporto di equivalenza e campo di moto nel caso di motore con testa assialsimmetrica e pistone di
forma convenzionale (3000 giri/min;1/3 del carico; 20° prima del PMS ).
Nella figure 2.2 e 2.3 sono riportati le immagini relative al rapporto di equivalenza ed al campo di moto ottenuto a 3000 giri/min ed a 6000 giri/min.
Figura 2.3 Rapporto di equivalenza e campo di moto nel caso di motore con testa assialsimmetrica e pistone di
forma convenzionale (6000 giri/min;1/3 del carico; 20° prima del PMS ).
Dalle figure 2.2 è possibile notare che a 3000 giri/min la nuvola di miscela stechiometrica appare troppo bassa; accanto a questo fenomeno a 6000 giri/min si assiste inoltre ad uno sparpagliamento della carica verso la periferia e si costituiscono due nuvole con titolo più ricco.
2.1.2 Camera con testa a berretto di fantino e pistone convenzionale
Nel caso di testa a berretto di fantino e pistone di forma convenzionale rappresentata nelle figure 2.4 e 2.5 i risultati sono addirittura peggiori rispetto al caso appena discusso.
Già a 3000 giri/min si presenta due nuvole di miscela leggermente ricca. Inoltre, analogamente a quanto detto a proposito della figura 2.3, con questa geometria è possibile notare un notevole
forma convenzionale (3000 giri/min;1/3 del carico; 20° prima del PMS ). L’immagine a destra è stata ottenuta sezionando il cilindro con lo stesso piano utilizzato per la figura 2.2.
Figura 2.5 Rapporto di equivalenza e campo di moto nel caso di motore con testa a berretto di fantino e pistone di
forma convenzionale (6000 giri/min; 1/3 del carico; 20° prima del PMS ). L’immagine a destra è stata ottenuta sezionando il cilindro con lo stesso piano utilizzato per la figura 2.2.
2.1.3 Camera con testa a berretto di fantino e pistone non convenzionale
Risultati migliori, sempre dal punto di vista della realizzazione della stratificazione, rispetto ai precedenti modelli, sono stati raggiunti con testa a berretto di fantino raccordata con la corona di squish e pistone dotato di bowl ed un piccolo deflettore (Fig. 2.6).
Tale camera (Fig.2.7) presenta lievi modifiche rispetto a quella di Fig.2.5 che però garantiscono sostanziali miglioramenti consistenti in una migliore qualità della stratificazione che risulta più stabile al variare del regime di rotazione; infatti il raccordo garantisce un tumble con un contenuto energetico maggiore, più difficile da distruggere ed il deflettore consente di deviare lo squish che così sommato al tumble, indirizza la nuvola verso gli elettrodi della candela.
Si ottiene una buona stratificazione della carica nella zona della candela a 3000 giri/min ed 1/3 del carico (Fig.2.7).
Figura 2.6 Pistone con piccolo deflettore
Figura 2.7 Rapporto di equivalenza e campo di moto nel caso di motore con testa a berretto di fantino modificata e
pistone di forma non convenzionale (3000 giri/min;1/3 del carico; 20° prima del PMS )
Tuttavia a 6000 giri al minuto ed 1/3 del carico, una grande quantità di combustibile risulta confinata nella parte inferiore della camera di combustione, lontano dalla candela ed intrappolata nella corona di squish.
Figura 2.8 Rapporto di equivalenza e campo di moto nel caso di motore con testa a berretto di fantino modificata e pistone di forma non convenzionale (6000 giri/min;1/3 del carico; 20° prima del PMS ) Ulteriori modifiche geometriche alla testa ed al pistone non convenzionale di fig.2.6 hanno
Figura 2.9 Secondo pistone non convenzionale
Il pistone (Fig.2.9) è caratterizzato da un’ulteriore piccolo deflettore che consente di raccogliere meglio il carburante nella zona della candela e presenta una bowl mentre la testa del motore è un po’ più alta (Figure 2.10).
Figura 2.10 Le camere di combustione negli ultimi due casi esposti
2.2 Il prototipo analizzato
Il prototipo analizzato in questa tesi è un motore due tempi ad A.C. di 50 cm3 alimentato ad iniezione diretta e carica stratificata.
Tale motore presenta travasi (cinque) e scarico convenzionali mentre la testa a berretto di fantino (Fig. 2.12) e lo stantuffo di forma non convenzionale (Fig. 2.13) sono stati costruiti sulla base dei risultati ottenuti dagli studi condotti dal Dipartimento di Energetica dell’Università di Pisa descritti al paragrafo precedente.
Figura 2.12 Testa a berretto di fantino Figura 2.13 Pistone con deflettore scavato
L’azienda che ha realizzato lo stantuffo, temendo una possibile interferenza con la candela, ha però praticato una lavorazione non richiesta sul deflettore scavandolo leggermente per fresatura (Fig. 2.13 cerchio rosso).
Figura 2.15
In questa tesi è stata effettuata una ricostruzione della parte mancante del deflettore utilizzando plastilina (Fig.2.14 e Fig.2.15); inoltre, allo scopo di comprendere l’elasticità dei materiali e le dilatazioni subite per effetto delle elevate temperature che si instaurano nel motore, è stato ricostruito un deflettore sovradimensionato.
Montando la testa sul supporto e portando lo stantuffo con riporto di plastilina al PMS, non sono state riscontrate interferenze con la candela.
La forma della testa del motore presenta invece piccole differenze rispetto alla geometria rappresentata in Fig. 2.10.
Il motore ha inoltre travasi (cinque) e scarico convenzionali.
Di seguito vengono riportate in forma di tabella 2.1 alcune caratteristiche tecniche del motore. Cilindrata 49,3 cm3 Alesaggio 40 mm Corsa 39,2 mm Altezza di squish 0,6 mm Apertura/chiusura travasi 122°-238° Apertura/chiusura scarico 92°-268°
