CAPITOLO 5
Obiettivi della ricerca condotta
5.1 Studi precedentemente condotti al Dipartimento di energetica.
Da qualche anno presso il Dipartimento di Energetica dell’Università di Pisa si stanno portando avanti studi di simulazione numerica relativi alla carica stratificata. Gli studi hanno interessato soprattutto i motori due tempi ed hanno dimostrato la possibilità di realizzare la carica stratificata stabilmente se si adottano delle opportune geometrie di camera di combustione ([25], [26]). Nell’ ultimo periodo la ricerca ha iniziato ad interessare anche i motori a quattro tempi; sono state condotte due tesi di laurea sulla simulazione di spray di benzina per motori ad iniezione diretta
[21], [22] ed in particolare è stata realizzata ed implementata sul codice KIVA una nuova routine
di breakup che permette di simulare numericamente il comportamento degli iniettori Pintle di ultima generazione, necessari per realizzare la stratificazione con il metodo “spray guided”. Il modello di breakup studiato in [22] è stato utilizzato in [23] su un motore quattro tempi con iniezione diretta e carica stratificata in cui è stato analizzato il processo di formazione della carica e la fasatura dell’iniezione. Lo stesso modello dello spray Pintle è stato utilizzato in questo lavoro che prosegue lo studio iniziato in [23].
5.2 Obiettivi della ricerca condotta
Le simulazioni numeriche condotte in questa tesi hanno interessato un motore quattro tempi ad accensione comandata con iniezione diretta e carica stratificata con cilindrata unitaria di 500 cm3. Il primo obiettivo della ricerca è stato continuare il lavoro di [23], ovvero analizzare la fase di combustione per un motore a carica stratificata con geometria tradizionale. Il successivo obiettivo, quello principale della ricerca, è stato il disegno di un nuovo tipo di camera di combustione migliorativa rispetto a quelle convenzionali tale da consentire in particolare di:
• confinare la carica durante la fase di compressione vicino alla candela in modo da garantire in tale zona una concentrazione di benzina stechiometrica o leggermente ricca per ottenere una sicura accensione;
• evitare l’impingement, ovvero che la benzina vada a toccare le pareti prima che sia totalmente evaporata per evitare elevate emissioni di idrocarburi incombusti;
• evitare la distruzione della stratificazione in fase di combustione per effetto dall’espansione dei gas a seguito della propagazione del fronte di fiamma;
• collocare la candela in posizione centrale in modo da minimizzare il percorso del fronte di fiamma.
5.3 L’idea di base per il disegno della camera di combustione
La necessità di mantenere la stratificazione della carica anche in fase di combustione è stata l’obiettivo fondamentale per il disegno di una camera di combustione. Adottando infatti una geometria tradizionale come verrà mostrato nel capitolo 6 i moti causati dalla combustione creano uno sparpagliamento della benzina che porta a distruggere la stratificazione che si era precedentemente creata e quindi a combustioni incomplete, che si traducono in un elevato inquinamento da idrocarburi incombusti.
Per poter realizzare questo obbiettivo l’idea di base che è stata pensata è la seguente: dividere in due zone la camera di combustione.
Nel funzionamento a carica stratificata una delle zone della camera di combustione deve essere presente solo aria e nell’altra deve essere presente la miscela di aria e benzina. Di conseguenza l’iniettore dovrà essere posizionato in modo da iniettare la benzina in condizioni di stratificazione solo in una delle due camere.
La camera in cui si inietta dovrà essere in grado di confinare i vapori di benzina e farli rimanere nel suo volume per tutta la durata della combustione nella modalità stratificata.
La candela si deve trovare nel punto di comunicazione tra le due camere che secondo quanto detto in precedenza dovrà trovarsi sull’asse del cilindro; infatti in condizioni di stratificazione il fronte di fiamma innescato dalla candela deve provvedere al confinamento delle due zone in modo da farle rimanere separate, mentre in condizioni di carica omogenea la combustione deve
Il volume della camera in cui si inietta deriva da un compromesso tra le condizioni di carico limite ammesse nel funzionamento in carica stratificata: al minimo si deve avere un rapporto di aria/benzina medio in camera non troppo alto per evitare il quenching mentre al carico massimo in cui si realizza la carica stratificata (circa il 50%), si deve avere un rapporto aria/benzina circa stechiometrico o leggermente ricco per poter bruciare tutta la benzina iniettata. Questo compromesso porta ad avere i volumi delle due camere pressoché uguali.
Riassumendo, per la progettazione della camera di combustione dovranno essere presi a riferimento questi concetti base:
• la camera di combustione deve essere divisa in due zone;
• la candela deve stare in prossimità dell’asse del cilindro nella zona di comunicazione tra le due camere;
• le due camere devono avere circa lo stesso volume;
• l’iniettore dovrà essere posizionato in modo tale da iniettare la benzina in condizione di stratificazione solo in una delle due camere;
• la nuvola di benzina deve avere una concentrazione stechiometrica o leggermente ricca nei pressi della candela al momento dell’ accensione;
• la camera deve essere conformata in modo da evitare l’impingement del combustibile; • la camera deve avere una geometria tale da garantire che in condizioni di stratificazione
la benzina non passi dalla camera in cui si inietta all’altra camera nemmeno durante la combustione.
5.4 Possibili soluzioni analizzare per dividere la camera di combustione in due zone.
La prima geometria che è stata pensata per dividere in due zone la camera di combustione è quella illustrata nella figura 5.1.
Fig.5.1: geometria della camera di combustione con testata piatta e disposizione della candela (in giallo) e dell’iniettore(arancio).
La soluzione risulta dal punto di vista concettuale molto semplice, infatti è stata presa in esame una testata piatta con valvole verticali e quattro valvole per cilindro. La camera di combustione è quindi ricavata solo nello stantuffo con due incavi. In un incavo, quello di forma circolare che ricopia la forma dello spray, viene iniettato il combustibile in condizioni di carica stratificata, mentre nell’altro si dovrebbe mantenere solo aria anche durante la combustione.
I vantaggi di questo soluzione sono:
• semplicità e di conseguenza basso costo di realizzazione perché solo il pistone ha una geometria complicata, mentre la testata è la più semplice concepibile per un motore quattro tempi e quindi poco costosa;
• la forma dell’incavo in cui si inietta, essendo coerente con quella dello spray, può garantire un buon confinamento della carica anche durante la combustione.
• con il posizionamento della candela nella zona della separazione, se si riesce a concentrare una miscela stechiometrica attorno alla candela, si può realizzare il confinamento della carica con il fronte di fiamma e quindi ottenere il mantenimento della stratificazione anche durante la combustione.
Gli svantaggi invece sono i seguenti:
• per evitare l’impingement la camera dove si inietta deve essere molto profonda; infatti, come si vede dalle immagini di figura 5.2, lo spray con una contropressione di 10 bar che si realizza generalmente in avanzata fase di compressione ha una penetrazione di circa 22mm di conseguenza questo valore deve rappresentare la minima distanza tra la testata e la superficie inferiore della camera in cui si inietta;
• la nuvola di benzina, essendo la superficie inferiore della camera ortogonale all’ asse del cilindro, tenderà a rimanere sul fondo dell’incavo e quindi lontano dalla candela;
• è molto difficile ricavare un volume pressoché uguale fra le camere, è quindi necessario realizzare un incavo con una forma abbastanza complicata per la camera in cui non deve essere iniettata la benzina e con un elevatissimo rapporto superficie/volume;
Fig.5.2: immagini dello spray a destra quelle simulate in [22] mentre a sinistra quelle reali ricavate da prove sperimentali.
E’ evidente come una camera così fatta non permetta di ottenere lo scopo che si cerca di raggiungere, soprattutto perché non si riesce a garantire che tra gli elettrodi della candela si possa concentrare un nuvola di benzina con il titolo voluto. Per risolvere questo problema si è pensato di inclinare la superficie inferiore della camera e inclinare l’asse dell’iniettore in modo da renderlo ortogonale ad essa.
Fig.5.3: geometria della camera di combustione ottenuta inclinando la superficie inferiore dell’incavo in cui viene iniettata la benzina.
Fig.5.4: disposizione di candela (in giallo) ed iniettore (arancio) nella geometria della camera di combustione ottenuta inclinando la superficie
inferiore dell’incavo in cui viene iniettata la benzina.
Fig.5.5: immagine prospettica della superficie del pistone della camera di combustione ottenuta inclinando la superficie inferiore dell’incavo in cui viene iniettata la benzina.
Con questa soluzione probabilmente si riesce ad avvicinare alla candela la nuvola di benzina, ma rimangono tutti gli altri problemi discussi in precedenza, per cui si è deciso di abbandonare l’idea di testata piatta e camera di combustione realizzata totalmente nello stantuffo.
Si è quindi passati ad una soluzione con camera di combustione a tetto. Dopo una lunga fase di studio tenendo conto dei criteri di progetto esposti in questo capitolo e nel capitolo precedente si è elaborato la soluzione illustrata nelle figure 5.6-5.9.
Fig.5.6: immagine della testata della geometria studiata.
Fig. 5.8: disposizione della candela (in giallo), dell’iniettore (arancio), della valvola di aspirazione (blu), della valvola di scarico (rosso), per la geometria studiata.
Fig. 5.9: contorni della testata (rosso) e del pistone in un piano ortogonale a quello di simmetria passante per l’asse del cilindro.
La geometria della camera di combustione delle figure 5.6-5.9, come verrà mostrato tramite le simulazioni numeriche tutti gli obiettivi di progetto che sono stati descritti nel paragrafo 5.3. I risultati delle simulazioni sono descritti ed illustrati nei capitoli 7, e 8.
