Ottimizzazione della fasatura di iniezione indiretta in un motore ad A.C. 4T tramite codice C.F.D. "AVL FIRE 8.2"

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Ottimizzazione della fasatura di iniezione indiretta in un

motore ad A.C. 4T tramite codice C.F.D. ”AVL FIRE 8.2

°R

_”

di Giuseppe Macrì

Tesi proposta per il conseguimento del titolo accademico di DOTTORE IN INGEGNERIA MECCANICA

presso la Facoltà di ingegneria

della

Università degli Studi di Pisa

3 Maggio 2004

Tipo Tesi: LUNGA, VECCHIO ORDINAMENTO

Autore:

Giuseppe Macrì

Approvata da:

Prof. Ing. Roberto Gentili Prof. Ing. Giancarlo Nardi

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Sintesi

Introduzione

Nel campo motociclistico l’iniezione indiretta di carburante stà gradual-mente sostituendo l’alimentazione tramite carburatore. Questo, infatti, a causa dei ben noti difetti che lo affliggono, tra i quali, scarsa prontezza di risposta nei transitori e precisione nella dosatura del carburante, non è in grado di garantire un rapporto di miscela che risulti stabilmente intorno allo stechiometrico, condizione indispensabile per un’efficace abbattimento delle emissioni nocive da parte dei catalizzatori trivalenti. Ad amplificare il grado di incertezza legato al rapporto di mi-scela si aggiunge il fenomeno del Wall Wetting, comune sia al carburatore che all’iniezione, ovvero la formazione di film di carburante sulle pareti dei condotti e della valvola di aspirazione. Questo crea un forte grado di incertezza circa la massa di carburante che effettivamente entrerà nel cilin-dro. L’iniezione indiretta, grazie all’ausilio di moderni sistemi di compensazione del combustibile iniettato, è in grado di eliminare, al contrario del carburatore, i problemi dovuti alla dosatura della benzina (grazie alla precisione degli iniettori) e limitare e/o addirittura annullare le fluttuazioni del rapporto di miscela, eventualmente generate dall’intrappolamento di parte del carburante nel condotto, tramite delle iniezioni supplementari, calcolate mediante complessi algoritmi contenuti nella centralina elettronica. Tipiche situazioni critiche di funzionamento si presentano nei rapidi transitori legati, ad esempio, ad una brusca accelerata e nelle fasi di partenza a freddo del motore (le basse temperatura favoriscono il Wall Wetting). Per contrastare la variabilità del rapporto di miscela, il posizionamento dell’iniettore e la fasatura d’iniezione devono essere valutati attenta-mente. Studi precedenti e soluzioni costruttive adottate attualmente da grandi case motociclistiche (vedi Honda, Kawasaki, ecc. . . ) indicano che, per ottimizzare il funzionamento del propulsore nei transitori, conviene posizionare l’iniettore a ridosso della valvola di aspirazione. Nel caso di regimi di funzionamento stazionari è preferibile piazzarlo nel condotto, in posizione arretrata1_{. La}

prima scelta permette, infatti, di minimizzare fortemente il percorso iniettore-cilindro dello spray, velocizzandone l’immissione in camera di combustione. Allo stesso tempo limita al minimo il ba-gnamento delle pareti dei condotti e anche della valvola di aspirazione, generalmente aperta nella parte finale dell’iniezione, grazie al flusso d’aria che trasporta buona parte del carburante diretta-mente nel cilindro. La seconda tipologia, coadiuvata da un anticipo di iniezione ampio, permette di ottenere un’atomizzazione della miscela decisamente migliore visto il maggiore tempo a dispo-sizione per l’evaporazione. La migliore microomogeneizzazione della carica permette di ottenere una combustione più efficiente con una minore produzione di inquinanti. Riuscire a sfruttare i pregi delle due soluzioni rappresenta, attualmente, la sfida tecnologica più interessante.

Definizione, Fasi e Finalità del lavoro svolto

In questa tesi è stata im-plementata l’analisi tramite codice C.F.D. ”AVL FIRE 8.2°R_{” della parte termica}2 _{di un motore}

monocilindrico quattro tempi, quattro valvole per cilindro, di 330cm3, destinato all’utilizzo su mo-to per competizioni di trial. Il lavoro ha riguardamo-to l’analisi dell’influenza della fasatura di iniezione

1_{Alcuni come la Honda lo posizionano molto vicino all’airbox}

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Sintesi

e della posizione dell’iniettore sullo spray e sull’evoluzione del rapporto di equivalenza all’interno del cilindro. Questa è stata attentamente analizzata in tutti i casi simulati in modo da valutare i pro e i contro delle varie tipologie di iniezione. A causa della limitata potenza di calcolo a disposizione non sono stati simulati più cicli di funzionamento del motore3_{. Le attività svolte per la preparazione}

del modello completo sono state le seguenti:

1. Elaborazione del modello di partenza in ambiente Proengineer °R_{. Qui dal modello CAD}

è stata ricavata la mesh di superficie, necessaria per l’importazione in ambiente Fire 8.2°R

, triangolando i confini dei volumi formanti il complessivo del motore;

2. Elaborazione del file ottenuto in ambiente dedicato. Questo ha significato correzione degli errori relativi agli elementi triangolari formanti la superficie e rifiniture nelle zone geometri-camente più complicate;

3. Dalle superfici sono stati ricavati gli spigoli necessari per la generazione delle successive mesh di volume;

4. Meshatura dei singoli volumi rappresentanti il dominio, assemblaggio del dominio completo e impostazione e avvio delle fasi di calcolo.

Figura 1: Fasi della preparazione del modello: elaborazione in ambiente CAD (sinistra), mesh superficiali e ottenimento degli spigoli in ambiente C.F.D. (centro) e tecnica del rezone (destra)

La preparazione delle meshes di un motore completo ha richiesto degli sforzi notevoli a causa del-la elevata complessità geometrica del modello analizzato. Per del-la prima volta, al Dipartimento di Energetica, con il codice AVL Fire 8.2°R_{, è stata simulata la fase di incrocio tramite la definizione} 3_{Si consideri che un sola simulazione (720}◦_{di manovella, pari ad un ciclo intero del motore) ha richiesto sei giorni} di calcolo su un normale personal computer

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Sintesi

della valvola di scarico. L’aver tenuto conto in modo dettagliato di questa fase del motore ha per-messo di vedere l’influenza, abbastanza marcata, che il flusso d’aria verso la valvola di scarico ha sulla dinamica dello spray, in particolare nei casi in cui l’iniezione termina a valvola di aspi-razione aperta. Il dominio simulato è stato diviso in quattro gruppi: testa, condotto di aspiaspi-razione, valvola di aspirazione e di scarico. Molto lavoro è stato necessario per modellare tramite ambiente CAD e poi tramite il modellatore del codice C.F.D. le varie parti. Si consideri infatti, che le simu-lazioni effettuate non sono state di natura statica4ma dinamica con tutte le parti mobili del motore (pistone, valvole di aspirazione e di scarico) in movimento. Ciò ha richiesto una lunga fase di pro-gettazione delle meshes indirizzata all’ottenimento di griglie di calcolo estremamente ordinate e con il più basso numero possibile di imperfezioni, per rendere il calcolo più stabile e veloce. Gli elementi utilizzati per le mesh sono esaedrici. Essi rappresentano il punto di riferimento nel campo della fluidodinamica computerizzata. Poichè deformazioni eccessive delle celle del dominio por-tano a divergenze nel calcolo la messa a punto della simulazione completa (740◦) ha richiesto la prepararazione di sette modelli debitamente collegati tra di loro5. Per avere delle basi simulative quanto più possibile veritiere, le condizioni di partenza e al contorno, riguardanti le varie parti del motore, sono state mutuate da valori sperimentali ottenuti tramite il codice monodimensionale AVL

BOOST°R_{. Le temperature impostate sugli elementi del modello (testa, camicia del cilindro, fungo}

e stelo delle valvole, cielo del pistone, condotto di aspirazione, flussi d’aria in entrata ed in uscita) sono state ricavate dalla letteratura. Esse sono state considerate costanti nel tempo considerando dei valori medi all’interno di un ciclo del motore. Gli andamenti delle pressioni, al contrario, sono stati riprodotti con grande precisione estrapolando, dalle curve ottenute con il software suaccenna-to, oltre 150 valori in modo da tenere conto anche degli effetti dei fenomeni d’onda sul riempimento del cilindro e sulla frantumazione della carica di combustibile. La temperatura del flusso d’aria in entrata nel condotto di ammissione è stata impostata prendendo a riferimento dei valori medi ri-portati nel manuale del software C.F.D. utilizzato, mentre quella dei gas di scarico è stata settata a 550K. I settaggi dei parametri relativi all’iniettore sono stati ripresi in accordo con diversi articoli scientifici reperiti in letteratura. Le condizioni di iniettata sono state le seguenti:

• Pressione di iniezione di 3, 5 bar, il che ha significato velocità di uscita dello spray dall’ini-ettore di 25m/s

• Angolo del cono dello spray di 30◦

• Quantità di combustibile iniettata: 0, 01947gr per la prova a 3000 giri/min e 0, 0210386gr per quella a 6000 giri/min;

4_{Nelle prove statiche le parti mobili del motore non si muovono ma vengono posizionate di volta in volta agli} angoli di manovella che si intende studiare

5_{Il programma presenta un tool chiamato rezone che permette di sostituire un dominio eccessivamente deformato} con un altro debitamente rimeshato in modo da permettere la prosecuzione della corsa di calcolo. Un esempio è visibile in figura (1)

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Sintesi

• Rapporto di equivalenza, impostato in partenza, leggermente ricco;

• Condizioni di massimo carico.

Le leggi di alzata delle valvole sono state riprese da quelle utilizzate nel motore allo stato pro-totipale. Per il calcolo della giusta quantità di carburante da iniettare si è lanciata una corsa senza iniezione e si è misurata la portata massica dell’aria in prossimità della valvola di aspirazione. Tramite una semplice proporzione è stato possibile ricavare la quantità in grammi di benzina da iniettare. Nelle simulazioni si è deciso di considerare il regime di 3000 giri/min e di 6000 giri/min. Il primo, infatti, rappresenta, di solito, il regime al quale il pilota porta il propulsore prima di ef-fettuare le normali manovre di gara mentre il secondo rappresenta il regime di coppia massima. I casi simulati sono stati sei; tre a 3000 giri e tre a 6000 giri. Di questi, due prevedono che lo spray sia indirizzato verso la valvola di ammissione e settato con due fasature differenti ed uno che l’iniettore sia situato in posizione arretrata, nel condotto, con fasatura di iniezione fortemente an-ticipata. Per avere una conferma della bontà dei risultati ottenuti, i campi di moto dei flussi d’aria ai due regimi di rotazione sono stati confrontati con quelli ottenuti, sul medesimo motore e con medesime condizioni di partenza e al contorno, da una simulazione messa a punto sul Kiva3V un software C.F.D. non commerciale che presenta forti differenze rispetto al codice utilizzato nella presente tesi6_{. I risultati ottenuti, sia in termini di valori assoluti che di andamenti, hanno denotato}

grande somiglianza, il che conferma la validità del modello messo a punto. Di seguito vengono commentate le prove simulate.

Figura 2: Vista del modello C.F.D. completo (a sinistra ed in basso a destra) ed in fase di assemblaggio (in alto a destra); Fasi di costruzione delle valvole e della testa (parte destra della figura)

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Sintesi

Prova a 3000 giri/min. Condizioni di forte anticipo. Iniettore in posizione arretrata nel con-dotto. Si inietta con largo anticipo rispetto all’apertura della valvola di aspirazione7. L’iniezione avviene da 140◦a 240◦ di manovella. La miscelazione aria-benzina risulta di ottimo livello. Infatti, il tempo di stazionamento abbastanza ampio della miscela all’interno del condotto di aspirazione favorisce l’evaporazione. L’impingement già all’apertura della valvola di aspirazione risulta molto limitato e concentrato su piccole zone intorno ad essa . Infatti, l’alto tasso di evaporazione indotto dal contatto del carburante con le pareti fa si che buona parte della massa fluida sia evaporata e che la maggior parte delle particelle8 introdotte abbiano subito una riduzione di diametro pari a 1/10 rispetto ai valori di partenza. Il diametro medio della maggioranza delle particelle nel sistema è nell’intorno dei 14µm. La situazione del rapporto di equivalenza, prima che venga innescata la combustione, si attesta intorno a valori molto prossimi all’unità in tutta la camera di combustione. Le considerazioni fatte sono visibili in figura (3).

Figura 3: Prova a 3000 giri: Iniettore situato in posizione arretrata nel condotto, situazione di forte anticipo. In senso orario dall’alto a sinistra: Mappa e diametro medio delle particelle di carburante, Massa liquida di carburante depositata sulle pareti, Mappa delle velocità a 680◦, Mappa delle pressioni a

680◦_{, Rapporto di equivalenza a 680}◦_{: sezione della candela, Rapporto di equivalenza a 680}◦

Prova 3000 giri. Fine iniezione a ridosso dell’apertura della valvola di aspirazione. Iniettore posizionato nei pressi della valvola. La situazione rispetto al caso precedente, risulta differente

7_{Essa apre a 340}◦_{di manovella}

8_{Il codice Fire 8.2}°R _{non considera il moto della singola goccia di carburante (sarebbe troppo gravoso dal punto}

di vista della potenza di calcolo) ma considera il moto di entità chiamate particelle che raggruppano in sè una certa quantità di gocce (variabile) di pari dimensioni

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Sintesi

sotto diversi aspetti. La fine dell’iniezione a ridosso dell’apertura della valvola di aspirazione fa si che parte della massa di carburante, introdotta per ultima, entri direttamente in camera di com-bustione, aiutata in questo dalla fase di incrocio. Infatti, flussi rilevanti verso la valvola di scarico esercitano una forte un’azione pompante nei confronti della miscela. Ciò limita il fenomeno

del-l’impingement ma si riflette in dimensioni medie delle particelle che arrivano anche a raddoppiare

rispetto al caso precedente. L’effetto negativo è un ritardo nell’omogeneizzazione della miscela aria-carburante. Si vede, infatti, che mentre zone del cilindro presentano dei rapporti di equivalen-za globalmente vicini al valore impostato al momento dell’iniezione, piccole zone sono interessate da valori relativamente ricchi di carburante raggiungendo valori di φ = 1, 8 vicino agli incavi del cielo del pistone. Il breve tempo a disposizione a causa dell’iniezione ritardata non permette un’e-vaporazione sufficiente della massa di combustibile introdotta nella fase finale dell’iniezione (sono visibili nella figura le gocce che non sono riuscite ad evaporare). Ciononostante, per lo meno nella zona candela, il rapporto di miscela si attesta intorno allo stechiometrico.

Figura 4: Prova a 3000 giri: Iniettore posizionato nei pressi della valvola. Fine dell’iniezione in concomitan-za dell’apertura della valvola di aspirazione. In senso orario dall’alto a sinistra: Mappa e diametro medio delle particelle di carburante, Massa liquida di carburante depositata sulle pareti, Mappa delle velocità a 680◦, Mappa delle pressioni a 680◦, Rapporto di equivalenza a 680◦: sezione della candela, Rapporto di equivalenza a 680◦

Prova 3000 giri. Fine iniezione a valvola aperta. Iniettore posizionato nei pressi della valvola. L’iniezione di carburante comincia a 260◦e termina a 360◦, 20◦dopo l’apertura della valvola di as-pirazione. La situazione rispetto al caso precedente varia leggermente. I valori dell’impingement,

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spessore, tasso di deposizione e aree interessate risultano più limitati. Una maggiore quantità di carburante entra direttamente nel cilindro. Anche stavolta, mediamente, il rapporto di equivalenza nella zona della candela risulta stechiometrico. Si osserva però che localmente a causa di parti-celle non evaporate si hanno zone fortemente ricche con φ ' 3 (vedi figura (5)). Queste possono causare l’innalzamento delle emissioni di HC incombusti. Nelle precedenti simulazioni la for-mazione di isole di carburante con rapporto di equivalenza elevato era molto più limitato (vedi prova precedente) o addirittura nullo (vedi prova con fasatura fortemente anticipata).

Figura 5: Prova a 3000 giri: Iniettore posizionato nei pressi della valvola. Fine dell’iniezione 20◦ dopo l’apertura della valvola di aspirazione. In senso orario dall’alto a sinistra: Mappa e diametro medio delle particelle di carburante, Massa liquida di carburante depositata sulle pareti, Mappa delle ve-locità a 680◦, Mappa delle pressioni a 680◦, Rapporto di equivalenza a 680◦: sezione della candela, Rapporto di equivalenza a 680◦

Prova a 6000 giri/min. Condizioni di forte anticipo. Iniettore in posizione arretrata nel con-dotto. L’iniezione di carburante comincia a 0◦9 e termina a 200◦ di manovella. Rispetto alla stessa prova eseguita a 3000 giri/min si verifica un impingement leggermente più elevato. Infatti, flussi d’aria di maggiore intensità sono in grado di ”influenzare” il moto di particelle di maggiori dimensioni. Queste a causa di una inerzia non trascurabile possono divincolarsi da questa influen-za e in condizioni di forte variabilità del flusso (repentini cambiamenti di direzione) andare ad impattare contro le pareti del condotto. Tuttavia le elevate velocità relative tra flusso d’aria e film di carburante sulle pareti e un sufficiente tempo a disposizione consentono già all’apertura della

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Sintesi

valvola di aspirazione di avere valori di deposizione della benzina di entità molto limitata (vedi figura (6). La polverizzazione dello spray è ugualmente soddisfacente con la maggior parte delle particelle in un range dimensionale tra gli 8 e i 16µm. Particelle di queste dimensioni, da quanto si evince in letteratura, possono essere considerate alla stregua di vapore e con elevata probabilità evaporeranno completamente prima della fase combustiva e non andranno a bagnare le pareti del cilindro. A conferma di quanto detto, a 680◦ di manovella tutto il carburante risulta evaporato. Il rapporto di equivalenza si presenta, nella maggior parte del cilindro, oscillante tra 0, 9 e 1, 1. Nella zona della candela i valori sono molto vicini ad uno.

Figura 6: Prova a 6000 giri: Iniettore su condotto, situazione di forte anticipo. In senso orario dall’alto a sin-istra: Mappa e diametro medio delle particelle di carburante, Massa liquida di carburante depositata sulle pareti, Mappa delle velocità a 680◦, Mappa delle pressioni a 680◦, Rapporto di equivalenza a 680◦: sezione della candela, Rapporto di equivalenza a 680◦

Prova 6000 giri. Iniezione a ridosso dell’apertura della valvola. Iniettore posizionato nei pres-si della valvola. L’iniezione avviene da 140◦ a 340◦. La situazione per quanto riguarda il di-ametro medio delle gocce, rispetto alla prova con fasatura molto anticipata è completamente ribal-tata. Stavolta le dimensioni si attestano su dimensioni decisamente più rilevanti (tra 160 e 180µm). I valori di impingement a 340◦ di manovella presentano dei valori leggermente più bassi ma su un’area più estesa. La massa di carburante non riesce ad evaporare completamente dal momento che buona parte del carburante entra direttamente nel cilindro senza venire a contatto con le pareti calde del condotto o della valvola. Rimangono, come visibile in figura (7) alcune particelle di di-mensione nell’intorno dei 40µm. Tuttavia esse non influenzano in maniera marcata il rapporto di

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Sintesi

equivalenza se non localmente e a 680◦ tutto il cilindro è interessato da un φ tra lo stechiometrico e il leggermente magro.

Figura 7: Prova a 6000 giri: Iniettore posizionato nei pressi della valvola. Fine dell’iniezione in concomitan-za dell’apertura della valvola di aspirazione. In senso orario dall’alto a sinistra: Mappa e diametro medio delle particelle di carburante, Massa liquida di carburante depositata sulle pareti, Mappa delle velocità a 680◦, Mappa delle pressioni a 680◦, Rapporto di equivalenza a 680◦: sezione della candela, Rapporto di equivalenza a 680◦

Prova 6000 giri. Fine iniezione a valvola aperta. Iniettore posizionato nei pressi della valvola. L’iniezione va da 160◦ a 360◦. I valori della deposizione di film di carburante rimangono gli stessi, ma l’area di interesse viene ridotta. La miscelazione diventa un fattore un pò più critico. A una con-dizione globalmente intorno al valore stechiometrico si frappongono zone a miscela leggermente ricca (1, 1 < φ < 1, 5) e leggermente povera (0, 4 < φ < 0, 7). Nella zona della candela la miscela rimane nell’intorno di φ = 1, 1, condizione ideale per l’accensione. Sono visibili dei riflussi di miscela nell’aspirazione. I risultati ottenuti sono visibili in figura (8).

Conclusioni

Le prove hanno fornito dei risultati in linea con diversi studi effettuati su prob-lemi estremamente simili. Si è visto che l’iniezione fortemente anticipata consente una migliore evaporazione della miscela, ideale per il funzionamento ad alti regimi ed alti carichi, mentre l’iniezione a ridosso della valvola di aspirazione permette di ridurre in maniera decisa il tempo di immissione del carburante nel cilindro producendo una risposta rapida, ideale per affrontare transitori improvvisi. Inoltre, si è visto che per limitare il fenomeno del Wall Wetting conviene

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Figura 8: Prova a 6000 giri: Iniettore posizionato nei pressi della valvola. Fine dell’iniezione 20◦ dopo l’apertura della valvola di aspirazione. In senso orario dall’alto a sinistra: Mappa e diametro medio delle particelle di carburante, Massa liquida di carburante depositata sulle pareti, Mappa delle ve-locità a 680◦, Mappa delle pressioni a 680◦, Rapporto di equivalenza a 680◦: sezione della candela, Rapporto di equivalenza a 680◦

iniettare a valvola aperta aspettandosi di avere, però, un produzione maggiore di HC incombusti a causa di una peggiore microomogeneità della miscela aria-carburante. La deposizione di car-burante sulle pareti sembra diminuire con il numero di giri probabilmente a causa dei tempi più

lunghi a disposizione del processo di miscelazione. Si è visto che la massa liquida a contatto con

le pareti dei condotti e della valvola, che in un primo tempo interessa un’area relativamente estesa, diminuisce fortemente, grazie al contatto caldo con le parti accennate, e risulta di piccolissima en-tità già in prossimità della corsa di compressione. Un rigurgito di miscela in corrispondenza della chiusura della valvola di aspirazione è stato notato in tutte le simulazioni effettuate. Esso è sicura-mente un inconveniente che favorisce la dispersione ciclica del motore, inducendo, a seconda della rilevanza, fluttuazioni nel rapporto di miscela. Una possibile causa di ciò potrebbe essere quella di un eccessivo ritardo nella chiusura della valvola di aspirazione. Infine, è risultato estremamente im-portante il ruolo giocato dalle temperature delle pareti del condotto e della valvola di aspirazione, che influenzano in maniera diretta la formazione di film di carburante. Alte temperature limitano decisamente il fenomeno ed è per questo che, oggi, la tecnica del ricircolo dei gas combusti nel condotto di aspirazione, usata primariamente per la riduzione nelle emissioni di N Ox, è sfruttata