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 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 con stratificazione della carica [1]. In particolare, sono state individuate alcune geometrie e delle strategie atte a migliorare le condizioni di miscelazione e/o confinamento della carica. In particolare sono stati individuati i seguenti fattori strategici:
-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 tale moto porta alla realizzazione di una miscela di titolo omogeneo e a 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.
avvicina al PMS. Un piccolo deflettore, che delimita la bowl del pistone, ed una testa con raccordo tra la base e la parte superiore (figura 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.
Fig.2.1 geometra della testa e del pistone. 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 [2].
2.1.1 Camera di forma convenzionale
Inizialmente sono state valutate 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 disegnati inizialmente una testa assialsimmetrica e un pistone dalla geometria “tradizionale”.
Nella figure 2.2 e 2.3 sono riportati le immagini relative al rapporto di equivalenza ed al campo di moto ottenuto a 3000 g/min ed a 6000 g/min.
Dalle figure 2.2 è possibile notare che a 3000 g/min la nuvola di miscela stechiometrica appare troppo bassa; a 6000 g/min si assiste inoltre ad uno sparpagliamento della carica verso la periferia e si costituiscono due nuvole con titolo più ricco.
Fig. 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 ).
Fig. 2.3 Rapporto di equivalenza e campo di moto nel caso di motore con testa assialsimmetrica e pistone di
forma convenzionale (6000 g/min;1/3 del carico; 20° prima del PMS ).
2.1.2 Camera con testa a berretto di fantino e pistone convenzionale
Il passo successivo ha riguardato lo studio di una testa a berretto di fantino e pistone di forma convenzionale, rappresentati nelle figure 2.4 e 2.5. I risultati sono addirittura peggiori rispetto al caso preedentemente discusso. Già a 3000 giri/min si presentano due nuvole di miscela leggermente ricca. Inoltre, analogamente a quanto detto a proposito della figura 2.3, con questa geometria si ha un notevole cambiamento della posizione della zona ricca della miscela al variare del regime di rotazione.
Fig. 2.4 Rapporto di equivalenza e campo di moto nel caso di motore con testa a berretto di fantino e pistone di
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.
Fig. 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 g/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 (figura 2.6). Tale camera (figura 2.7) presenta lievi modifiche rispetto a quella di figura 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 moto di tumble con un contenuto energetico maggiore, più difficile da distruggere, il deflettore consente di deviare lo squish, che, così sommato al tumble, indirizza la nuvola verso gli elettrodi della candela. Si è ottenuta una buona stratificazione della carica nella zona della candela a 3000 g/min ed 1/3 del carico (figura.2.7).
Fig. 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 gi/min;1/3 del carico; 20° prima del PMS )
Tuttavia a 6000 g/min 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).
Fig. 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 alla geometria della testa ed allo stantufo non convenzionale di figura 2.6 hanno portato alla definizione geometrica della camera oggetto di questa tesi.
Il pistone (figura 2.9) è caratterizzato da un ulteriore piccolo deflettore, che consente di raccogliere in modo migliore il carburante nella zona della candela, e da una bowl analoga alla precedente, mentre la testa del motore risulta un po’ più alta (figura 2.10).
Fig. 2.10 Le camere di combustione negli ultimi due casi esposti
Si riportano i risultati delle simulazioni eseguite con la geometria definitiva, prove eseguite a vari regimi rotazionali e vari carichi.
- Simulazione a 1800 giri/min ed 1/5 del carico
La fasatura dell’iniezione adottata per il regime di rotazione di 1800 g/min ed 1/5 del carico massimo prevede:
-inizio di iniezione a 312°;
-durata dell’iniezione pari a 5,40°.
Di seguito vengono riportati i risultati relativi al campo di moto (vettori velocità della fase gassosa) ed alle mappe del rapporto di equivalenza (valore locale del rapporto aria benzina rispetto al titolo stechiometrico) ottenuti in questa condizione di funzionamento.
Analogamente ai modelli analizzati in precedenza, nel caso con geometria reale si instaura un tumble utile alla risalita delle gocce e del vapore di combustibile dal pistone verso la candela (v. figura 2.11).
Il campo di moto rappresentato in figura 2.12 relativo a 340° angoli di manovella presenta le velocità più alte in corrispondenza del deflettore per il sommarsi del tumble con l’effetto squish.
Fig. 2.12 Campo di moto a 340°
Fig. 2.13 Campo di moto a 350°
A 350° (figura 2.13) l’ultima geometria di camera di combustione realizzata presenta, in corrispondenza del deflettore, tumble ed effetto squish indirizzati verso la testa della camera. Questo risultato è favorevole alla realizzazione della stratificazione della carica nella zona della candela; infatti con un tale campo di moto si riesce ad evitare la diluizione della miscela nella zona d’accensione ed al tempo stesso far risalire la nuvola dal pistone verso l’alto. Le mappe relative al rapporto di equivalenza nel caso a 1800 giri/min ed 1/5 del carico presentano ottimi risultati dal punto di vista della stratificazione della carica: a 350° (figura 2.16) una nuvola di miscela con titolo quasi stechiometrico è localizzata in zona candela.
Fig. 2.15 Rapporto di equivalenza nel caso del modello con geometria definitiva (340°)
Fig. 2.16 Rapporto di equivalenza nel caso del modello con geometria definitiva (350°)
- Simulazione a 3000 giri/min ed 1/3 del carico
La fasatura dell’iniezione per il caso a 3000 giri/min ed 1/3 del carico prevede: -inizio iniezione a 307°
-durata dell’iniezione pari a 9°
Utilizzando l’ultimo modello di pistone il flusso ad alta velocità in uscita dalla corona di squish è guidato in modo efficace ed indirizzato verso l’alto anche nel caso a 3000 giri/min ed 1/3 del carico. Dato il buon risultato ottenuto anche in questo caso, vengono riportate solo due immagini relativamente al campo di moto che si instaura a 328° ed a 350° (figura 2.17 e 2.18).
Fig. 2.18 Campo di moto a 3000 giri/min e 350°
Il campo di moto ottenuto con la geometria in esame garantisce, assieme alla fasatura dell’iniezione messa a punto (anticipo a 307° e durata pari a 9°), una buona stratificazione della carica.
Fig. 2.19 Rapporto di equivalenza a 328°
Fig. 2.20 Rapporto di equivalenza a 350°
A 350° (figura 2.20) il rapporto di equivalenza che si realizza nella zona d’accensione è leggermente ricco (variabile da 1,3 ad 1,6).
-inizio iniezione a 285°
-durata dell’iniezione pari a 18°
Grazie all’ultimo modello si realizzano ottime caratteristiche del campo di moto anche a 6000 giri/min ed 1/3 del carico massimo (figura 2.21 e 2.22). Infatti si ha un moto di tumble ed un effetto squish opportunamente indirizzati verso la testa del motore.
Fig. 2.21 Campo di moto a 328°
Fig 2.22 Campo di moto a 342°
Dalle mappe relative al rapporto di equivalenza nel caso della nuova geometria della camera di combustione a 6000 giri/min e 1/3 del carico massimo (figura 2.23 e 2.24) è evidente la
Fig. 2.23Rapporto di equivalenza a 328°
Fig. 2.24Rapporto di equivalenza a 342°
Conclusioni
Con l’ultima geometria esaminata è stata ottenuta una buona stratificazione della carica a basso regime ed a basso carico ma si evidenzia comunque una sufficiente stratificazione anche per alti regimi e bassi carichi.
[2] S. Zanforlin, R. Gentili, A. Marini
DESIGN IMPROVEMENT BY CFD STUDY OF A GDI 50 CC TWO- STROKE ENGINE
