Capitolo 5
Analisi fluidodinamica di geometrie con candela
5.1 Obiettivi dell’analisi
Nel capitolo precedente sono stati riportati i risultati ottenuti dalle simulazioni numeriche eseguite sulle prime geometrie considerate in questa tesi e che contengono varie semplificazioni rispetto alla reale geometria del motore. Di seguito sono descritte le varie modifiche compiute sui modelli di base per arrivare a geometrie maggiormente dettagliate. Il primo passo verso modelli più complessi è stata l’introduzione della candela sulla testa con geometria semplificata. Questa ricerca ha avuto come obiettivi:
1) Modificare il sorgente del solutore Kiva 3v per tener conto della presenza della candela sulla testa del motore.
2) valutare l’influenza esercitata dal tipo e dalla posizione della candela sulla stratificazione della carica.
5.2 Primo obiettivo: modificare il sorgente Kiva 3v per tener conto
della presenza della candela sulla testa del motore.
5.2.1 Creazione del modello con candela ad elettrodo di massa corto
La geometria esaminata in questo paragrafo è caratterizzato dalla presenza di una candela sulla testa semplificata descritta al capitolo 4.
La candela è stata scelta considerando lo spazio disponibile sulla testa e consultando i cataloghi dei principali costruttori mondiali ed è del tipo ad elettrodo di massa corto.
Per tener conto della presenza della candela sulla testa del motore è stato messo a punto il sorgente del solutore Kiva 3v.
5.2.2 Geometria
Figura 5.1 Testa del modello con candela ad elettrodo di massa corto
La candela è stata posizionata con l’asse inclinato a 30° rispetto a quello del cilindro e con le seguenti distanze:
- 2,9 mm dall’asse del cilindro (Fig 5.2); - circa 9 mm dal pistone al PMS (Fig. 5.3).
La candela è stata disegnata con il solo elettrodo di massa per rendere meno difficoltosa la realizzazione della mesh del modello.
5.2.3 Creazione della griglia computazionale del modello
Figura 5.4 Mesh del modello con candela ad elettrodo di massa corto
Dal punto di vista della creazione della mesh del modello, l’introduzione della candela comporta un numero maggiore di blocchi rispetto al caso con geometria semplificata descritto al capitolo 4 (292 contro 148!); inoltre è necessaria un’accurata messa a punto della griglia computazionale volta ad eliminare la presenza di celle non convesse che producono un aumento dei tempi di calcolo e nei casi peggiori l’interruzione della simulazione per problemi di overflow.
5.2.4 Modifiche al sorgente di Kiva 3v
Realizzata la mesh della geometria con candela è necessario assegnare le condizioni al contorno per le famiglie di superfici e di volumi presenti nel modello. Questa fase del lavoro è di fondamentale importanza perché consente di creare il file relativo alla mesh (itape17) richiesto dal solutore Kiva 3v.
La routine setup di Kiva 3v legge il file itape17, inizializza tutte le quantità associate alle celle ed ai vertici utilizzate nel corso dei calcoli, rileva gli errori in termini di condizioni al contorno
geometriche (pareti ferme, pareti mobili, simmetria…), commessi durante il processo di
generazione della mesh.
Nel caso della candela non esistono condizioni al contorno specifiche da assegnare per cui essa è stata trattata come parete ed identificata con il flag wall.
La modifica apportata alla routine setup consiste nel fare riconoscere al programma la presenza della candela sulla testa come un ostacolo generico:
if(fv(ij).eq.flhead .or. (bcb(ij).eq.2.0 .and. idface(ij).ne.0) & .or. idface(ij).gt.0)
In questo modo la routine setup svolge correttamente l’inizializzazione delle variabili legate al moto come ad esempio il calcolo delle componenti della velocità del fluido.
5.3 Secondo obiettivo: valutare l’influenza esercitata dal tipo e dalla
posizione della candela utilizzata sulla realizzazione della
stratificazione della carica.
Con la seconda geometria si è potuta condurre un’analisi preliminare sull’influenza che una candela di accensione esercita sul campo di moto della fase gassosa e sulla realizzazione della stratificazione della carica.
5.3.1 Simulazione a 3000 giri/min ed 1/3 del carico
Figura 5.6 Rapporto di equivalenza a 350°
Dall’analisi del campo di moto (Fig. 5.5) è possibile notare la presenza di un tumble leggermente diverso rispetto a quello ottenuto con la geometria semplificata descritta al capitolo 4 a causa della presenza della candela.
Le velocità più alte si registrano all’incontro tra le correnti fluide prodotte dal tumble e dallo squish. Parte delle correnti ottenute per effetto squish producono un forte gradiente nel rapporto di equivalenza che si realizza a 350° nella zona della candela (Fig. 5.6 cerchio rosso).
5.3.2 Simulazione a 6000 giri/min ed 1/3 del carico
Figura 5.7 Campo di moto a 342°
Le velocità raggiunte nel caso di 6000 giri/min sono analoghe (in modulo) al caso del modello privo di candela nelle stesse condizioni di funzionamento; purtroppo con questa geometria le correnti derivanti dallo squish presentano alte velocità indirizzate verso la zona d’accensione
(Fig. 5.7 cerchio rosso) e considerando le mappe relative alla distribuzione del rapporto di equivalenza in camera risulta che la nuvola di miscela leggermente ricca rimane bassa e non raggiunge la zona degli elettrodi (Fig. 5.8).
Figura 5.8 Rapporto di equivalenza a 342°
La candela utilizzata non è quindi in grado di raggiungere la zona di innesco sicuro.
D’altra parte considerando le dilatazioni dei materiali per effetto termico, spostare in basso la candela comporterebbe interferenze con il cielo dello stantuffo.
5.3.3 Creazione del modello con candela ad elettrodo di massa lungo
Il modello descritto in questo paragrafo presenta la stessa geometria di testa e pistone del caso semplificato discusso nel capitolo precedente e la candela ad elettrodo di massa lungo (Fig. 5.9).
5.3.4 Geometria del modello con candela ad elettrodo di massa lungo
La candela di Fig. 5.10 è caratterizzata da un elettrodo di massa più lungo di quello impiegato nella precedente geometria analizzata .
Figura 5.10 Candela ad elettrodo di massa lungo montata sulla testa con geometria semplificata
La candela è stata mantenuta nella stessa posizione del caso precedente e disegnata con il solo elettrodo di massa per facilitare la creazione della mesh.
5.3.5 Creazione della griglia computazionale nel caso del modello con candela ad elettrodo di massa lungo.
L’introduzione della candela rappresentata in Fig. 5.10 ed impiegata sul prototipo comporta la necessità di riorganizzare la mesh realizzata precedentemente (Fig. 5.11) in maniera profonda; infatti sebbene la divisione in blocchi sia concettualmente identica per candela con elettrodo corto ed elettrodo lungo, nei due casi cambiano le posizioni di tali blocchi.
Figura 5.11 Distribuzione delle celle sulla testata nel caso della candela ad elettrodo di massa corto e quella ad
Questo si traduce ovviamente in una diversa distribuzione delle celle nella zona della testata ma, data la propagazione delle suddivisioni lungo l’asse verticale del motore, anche del cilindro e dei travasi.
Figura 5.12 Mesh del modello con candela realmente impiegata sul prototipo
La mesh realizzata (Fig. 5.12) è caratterizzata da circa 55000 celle e 292 blocchi.
5.3.6 Simulazione a 1800 giri/min ed 1/5 del carico
Con questo modello è stata effettuata una simulazione con velocità di rotazione dell’albero motore di 1800 giri/min e carico ad 1/5 dello stechiometrico. Tra le condizioni testate questa è quella rappresentativa del funzionamento del motore al minimo.
Quindi è fondamentale ottenere in questa simulazione un buon risultato ai fini dell’ottenimento della stratificazione della carica, visti i problemi di combustione irregolare ai bassi carichi che affliggono i motori due tempi tradizionali.
5.3.6.1 Analisi del campo di moto
-inizio iniezione a 312°
-durata dell’iniezione pari a 5,40°
Figura 5.13 Campo di moto della fase gassosa a 330°
Figura 5.14 Campo di moto della fase gassosa a 340°
Nel caso del modello con candela con elettrodo di massa lungo le velocità del gas legate all’effetto squish sono opportunamente indirizzate verso la sommità della testa (Fig. 5.15)
5.3.6.2 Analisi del processo di formazione della carica stratificata
Le immagini seguenti sono relative al rapporto di equivalenza della miscela aria-combustibile valutato agli stessi angoli di manovella considerati a proposito dell’analisi del campo di moto. La sequenza delle mappe riportate (Figg. 5.16, 5.17, 5.18) descrive il processo di formazione della carica stratificata.
Figura 5.16 Rapporto di equivalenza a 330°
Figura 5.17 Rapporto di equivalenza a 340°
Figura 5.18 Rapporto di equivalenza a 350°
Le tre figure sopra riportate mostrano una progressiva risalita della nuvola di miscela quasi stechiometrica verso la candela. In questa condizione di funzionamento del motore il campo di moto si presenta dunque favorevole alla realizzazione della stratificazione della carica.
5.3.7 Simulazione a 3000 giri/min ed 1/3 del carico
5.3.7.1 Analisi del campo di moto
Nel caso di funzionamento a 3000 giri/min ed 1/3 del carico sono stati ottenuti i seguenti andamenti dei vettori velocità (Figure 5.19, 5.20 e 5.21).
Figura 5.20 Campo di moto a 340°
Figura 5.21 Campo di moto a 350°
Osservando le figure sopra riportate è possibile notare il mantenimento del tumble fino a fine compressione anche in questa condizione di funzionamento.
A differenza del caso con candela ad elettrodo di massa corto, con la candela reale le velocità ottenute per effetto squish sono efficacemente indirizzate verso la sommità della testa (Fig. 5.21).
5.3.7.2 Analisi del processo di formazione della carica stratificata
Le mappe del rapporto di equivalenza che si realizza nel caso del modello con candela reale a 3000 giri/min e 1/3 del carico massimo evidenziano la realizzazione della stratificazione della carica nella zona della candela.
Figura 5.22 Rapporto di equivalenza a 328°
Figura 5.23 Rapporto di equivalenza a 340°
Figura 5.24 Rapporto di equivalenza a 350°
Nel caso di Fig. 5.24 il rapporto di equivalenza nella zona d’accensione è su valori stechiometrici tendenti leggermente al titolo ricco.
5.3.8 Simulazione a 6000 giri/min ed 1/3 del carico
L’ultima simulazione su questo modello ha riguardato il caso di velocità di rotazione dell’albero motore di 6000 giri/min ad 1/3 del carico rispetto allo stechiometrico.
5.3.8.1 Analisi del campo di moto
Analogamente ai casi descritti al capitolo 4 la fasatura dell’iniezione settata nel caso di 6000 giri/min ed 1/3 del carico prevede:
-inizio di iniezione a 285° -durata dell’iniezione 18°
Dal punto di vista del campo di moto della fase gassosa in Fig. 5.25 è riportato la mappa delle velocità medie che si realizzano nel cilindro a 328° angoli di manovella.
Figura 5.25 Campo di moto risultante dalla simulazione a 6000rpm e 328° nel caso di modello con candela ad
elettrodo lungo
In Fig. 5.26 è rappresentato il campo di moto a 342°. Anche in questo caso il tumble è sempre ben presente fino a fine compressione ma il dato di maggior rilievo riguarda l’effetto squish; infatti con la geometria considerata la carica compresa tra cielo dello stantuffo e corona di squish viene schiacciata e proiettata verso la parte superiore della testa evitando quindi di sparpagliare
la carica presente tra gli elettrodi della candela. Questo fenomeno è positivo ai fini dell’ottenimento di una buona stratificazione della carica attorno alla candela.
Figura 5.26 Campo di moto risultante dalla simulazione a 6000 giri/min e 342° nel caso di modello con candela ad
elettrodo lungo.
5.3.8.2 Analisi del processo di formazione della carica stratificata
I buoni risultati ottenuti a proposito del campo di moto che si instaura nella geometria considerata a 6000 giri/min sono confermati anche dalle mappe relative all’andamento del rapporto di equivalenza.
Figura 5.27 Rapporto di equivalenza risultante dalla simulazione a 6000rpm e 328° nel caso di modello con candela
Figura 5.28 Rapporto di equivalenza risultante dalla simulazione a 6000rpm e 342° nel caso di modello con candela
ad elettrodo di massa lungo.
Figura 5.29 Rapporto di equivalenza risultante dalla simulazione a 6000rpm, 342°. Questa vista è stata ottenuta
sezionando la geometria con un piano ortogonale all’asse del cilindro passante ad un’altezza di 46,5 mm dal PMI.
Figura 5.30 Rapporto di equivalenza lungo un piano verticale ed uno orizzontale a 6000rpm e 342° nel caso di
In particolare nella Fig. 5.28 è possibile notare l’ottenimento di una nuvola di miscela aria-combustibile di titolo leggermente ricco.
Valutando quello che succede su un piano orizzontale passante tra gli elettrodi della candela è possibile osservare una lieve tendenza della nuvola ricca a portarsi verso l’esterno della camera (Fig. 5.29 e 5.30).
Comunque sia anche in quest’ultime figure si conferma la presenza del titolo leggermente ricco nella zona di accensione.
5.3.9 Valutazione dell’influenza della posizione dell’elettrodo di massa sulla realizzazione di carica stratificata: simulazione a 3000 giri/min ed 1/3 del carico
Questo modello presenta testa e pistone del caso precedente e candela reale con elettrodo di massa ruotato di 180°.
Con questa modifica si è voluta verificare l’influenza esercitata dalla posizione dell’elettrodo di massa ai fini della realizzazione della stratificazione della carica.
5.3.9.1 Analisi del campo di moto
Nel caso di candela ruotata di 180°, nella zona dell’elettrodo il campo di moto presenta evidenti differenze nella direzione del flusso rispetto al caso precedentemente descritto (Fig. 5.31).
Figura 5.32 Campo di moto a 350°
Le velocità più alte si verificano per effetto squish (Fig. 5.32) e sono maggiori di quelle raggiunte nel caso di Fig. 5.21.
Inoltre l’elettrodo di massa ruotato protegge la zona d’innesco dal gas ad alta velocità costituendo un ostacolo per il flusso che dalla corona di squish si dirige verso il centro della camera (Fig. 5.33).
5.3.9.2 Analisi del processo di formazione della carica stratificata
Il rapporto di equivalenza pari ad 1,4 che si realizza a 350° nella zona della candela è indice di una miscela leggermente ricca (Fig. 5.34).
Figura 5.34 Rapporto di equivalenza a 350° nel caso di modello con candela ruotata di 180°.
Figura 5.35 Rapporto di equivalenza su piano orizzontale a 44 mm dal PMI nel caso di modello con candela ruotata
di 180°.
Il campo di moto che si instaura nella camera con candela reale ruotata di 180° quindi favorisce la stratificazione della carica (Figure 5.35-5.36).
Figura 5.36 Rapporto di equivalenza lungo un piano verticale ed uno orizzontale a 3000 rpm e 350° nel caso con
candela ruotata di 180°.
5.4 Risultati ottenuti nelle geometrie con candela
Nei modelli con candela ad elettrodo di massa lungo è stata ottenuta una buona stratificazione della carica in tutte le condizioni testate.
Il modello con candela ad elettrodo di massa corto ha fornito risultati peggiori sia dal punto di vista del campo di moto per la presenza di un eccessivo effetto squish diretto verso la zona d’accensione sia per quanto riguarda la qualità della stratificazione della carica ottenuta.
Per quanto riguarda invece il caso con candela ad elettrodo lungo sono state ottenute buone stratificazioni in tutte le condizioni simulate.
La rotazione della candela di 180° comporta variazioni del campo di moto rispetto al caso di partenza le quali però non pregiudicano la realizzazione di carica stratificata nella zona della candela.
Nelle figure (5.37 5.38) seguenti sono riportati i grafici relativi alle componenti x ed y del Tumble ratio per elettrodi di massa lungo e corto nella prova a 3000 giri/min.
-1,00 -0,80 -0,60 -0,40 -0,20 0,00 0,20 0,40 0,60 0,80 1,00 300 310 320 330 340 350 360 Angolo TR x elettrodo corto elettrodo lungo Figura 5.37 0,60 0,80 1,00 1,20 1,40 1,60 1,80 300 310 320 330 340 350 360 Angolo TR y elettrodo corto elettrodo lungo Figura 5.38
