CAPITOLO 5

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Studio CFD mediante KIVA 3v

5.1 Introduzione

In questo capitolo vengono confrontati i risultati di una tesi precedente [6] con quelli ottenuti utilizzando le nuove condizioni al contorno ricavate dalle simulazioni mediante AVL BOOST. In entrambi i casi il codice tridimensionale utilizzato è il KIVA 3v.

Come già precisato in precedenza, il modello geometrico (fig. 5.1 – 5.3) e la mesh (fig. 5.4 – 5.6) sono stati realizzati in precedenza.

Fig. 5.1: modello CAD

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Fig. 5.4: immagine della griglia

Fig.5.5 : immagine della griglia sul Fig.5.6: immagine della griglia su

piano di simmetria un piano parallelo al piano di

simmetria passante per l’asse della

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stratificazione spray-guided della carica mediante un iniettore pintle.

5.1.1 Il modello dello spray

Il modello dello spray utilizzato in questo studio è stato realizzato in [23] sulla base di dati sperimentali.

Il breakup dello spray è stato messo a punto utilizzando il modello TAB (Taylor Analogy Breakup). Esso si basa sull’analogia di Taylor esistente tra il sistema goccia in equilibrio con l’atmosfera circostante ed un sistema meccanico massa – molla – smorzatore. Così la frequenza e l’ampiezza di oscillazione dipendono dalla rigidezza e dallo smorzamento equivalenti, oltre che dall’interazione con l’aria. Per ulteriori approfondimenti si rimanda a [23].

Fig. 5.7: immagine dello spray ottenuto dalle simulazioni con Kiva e confronto con quello ottenuto da prove sperimentali

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5.2.1 Le simulazioni a 2000 giri/min

• Analisi del campo di moto

La geometria del condotto di aspirazione è stata concepita per ottenere un moto risulatante di tumble inverso. Come si nota infatti dalle immagini (5.8-5.11) e dal grafico di figura 5.12, l’inclinazione del condotto genera durante la fase di aspirazione un moto rotatorio organizzato orario con asse ortogonale al piano di simmetria, che si mantiene fino alla fase di compressione. Tale moto interagisce con la nuvola di benzina quando si realizza la stratificazione della carica e tende ad avvicinarla alla zona della candela.

Fig. 5.8: campo di moto su un piano verticale passante per l’asse della valvola 45° dopo il PMS (KIVA)

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Fig. 5.11: campo di moto su un piano verticale passante per l’asse della valvola 35° prima del PMS (KIVA)

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-0.2 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 0 50 100 150 200 250 300 Angolo di manovella N°s i tumble

Fig. 5.12: andamento del numero di tumble in funzione dell’angolo di manovella a 2000 giri al minuto

• Stratificazione della carica

Le immagini nelle figure sottostanti (5.13 – 5.18) sono relative al processo di formazione della carica stratificata a 2000 giri/min. Il carico è un terzo di quello massimo mentre l’iniezione inizia a 330° (per altri dati si veda la tabella 5.1). Come si può notare dalle immagini, con la geometria proposta in questo lavoro è possibile ottenere la stratificazione della carica.

La candela deve essere posizionata in prossimità dell’asse del cilindro, nella zona di separazione della camera; in questo modo è possibile anche, nel funzionamento con carica omogenea, minimizzare il percorso del fronte di fiamma e quindi ridurre il tempo di combustione.

Fig. 5.13: rapporto di equivalenza 29° Fig. 5.14: rapporto di equivalenza 28° prima del PMS (KIVA) prima del PMS (KIVA)

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Scintilla

Grazie al particolare disegno della camera di combustione si può iniettare anche 15° prima del momento di accensione (si accende a 345°) senza rischiare l’impingement del liquido sulle pareti ed ottenere una nube di combustibile con rapporto di miscela stechiometrico nella zona della candela. Infatti, come si nota dal grafico di figura 5.19, già 8° prima dell’accensione il combustibile è totalmente allo stato di vapore.

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0 0.001 0.002 0.003 0.004 0.005 0.006 0.007 0.008 0.009 0.01 330 333 336 339 342 345 Angolo di manovella C o mbu s ti bil e evap orat o ( g )

Combustibile evaporato (iniezione: 330°, carico: 1/3) Combustibile evaporato (iniezione: 330°, carico: 1/5)

Fig. 5.19: evaporazione del combustibile a 2000 g/min

Il moto di tumble inverso, ottenuto grazie alla particolare geometria del condotto di aspirazione, genera un benefico effetto di trasporto della benzina verso gli elettrodi della candela. Il grafico di figura 5.20 permette di quantificare numericamente uno dei vantaggi che si ottengono con l’iniezione diretta: il combustibile evaporando sottrae calore all’aria circostante permettendo una riduzione della temperatura media di circa 50 gradi ad un terzo del carico e di circa 70 gradi a metà carico. Come discusso nel capitolo 1, questo comporta una riduzione della tendenza alla detonazione a pieno carico, una diminuzione della dissociazione, un aumento del rapporto tra i calori specifici a pressione e volume costante e quindi un rendimento termico più elevato.

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860 870 880 890 900 910 920 930 940 950 960 970 980 990 330 335 340 345

Angolo di manovella (gradi)

Temperatura (°

K)

Temperatura media nel cilindro con l'iniezione (carico 1/3) Temperatura media nel cilindro senza iniezione

Temperatura media nel cilindro con iniezione (carico 1/2)

Fig. 5.20: temperatura media nel cilindro con e senza iniezione a 2000 g/min

Apertura esterna cono spray (gradi) Apertura interna cono spray (gradi) Massa iniettata (mg) Velocità di uscita del liquido (m/s) Diametro medio di Sauter delle gocce

all’uscita dell’ iniettore (µm) Durata iniezione (ms) 86 70 6,1 125 35 0,2

Tabella 5.1: dati impostati nella simulazione a 2000 g/min per l’iniezione

• Combustione

La fasatura dell’accensione è stata tarata in modo da ottenere la massima pressione nel cilindro 8° dopo il PMS (figura 5.25). Le figure sottostanti (5.21 – 5.24) riportano le mappe della temperatura e della concentrazione del combustibile durante la combustione. In queste immagini si può notare il risultato fondamentale raggiunto in questo lavoro: con il particolare disegno della camera di combustione ideata si riesce a mantenere la stratificazione anche durante la fase di combustione. Infatti la benzina rimane sempre confinata nella bowl in cui è stata iniettata ed il fronte di fiamma, non incontrando di conseguenza zone troppo povere, si propaga rapidamente. La quantità di benzina rimasta 40° dopo l’inizio della combustione (fig. 5.26) è

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fiamma. In questo modo si riesce a ridurre di molto il fenomeno del quenching dato che la benzina rimasta brucerà quasi totalmente diminuendo notevolmente le emissioni da idrocarburi incombusti.

Fig. 5.21: mappa della temperatura al PMS (KIVA)

Fig. 5.22: mappa della temperatura 10° dopo il PMS (KIVA)

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Fig. 5.24: mappa della temperatura 30° dopo il PMS (KIVA) 0 5 10 15 20 25 355 360 365 370 375 380 385 390 395 400 405 410 P re s s io n e m e d ia n e l c iln d ro ( B a r)

Pressione nel cilindro

(ba

r)

Angolo di manovella

Fig. 5.25 : andamento della pressione in camera di combustione Angolo di manovella (gradi)

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Le considerazioni fatte per il processo di formazione della carica a 2000 giri/min sono in gran parte valide anche 3000 giri/min. Le immagini seguenti mostrano come si riesca ad ottenere una buona stratificazione anche a questo regime; infatti, rispetto alla prova effettuata a 2000g/min, grazie al maggiore numero di tumble si ottiene un migliore mescolamento della carica ed un effetto di trasporto amplificato della nuvola di benzina verso la zona della candela. Il carico è sempre un terzo di quello massimo e l’iniezione inizia a 327° (per altri dati si veda la tabella 5.2).

Fig. 5.27: rapporto di equivalenza 15° prima del PMS a 3000 g/min (KIVA)

0.0E+00 1.0E-03 2.0E-03 3.0E-03 4.0E-03 5.0E-03 6.0E-03 7.0E-03 8.0E-03 9.0E-03 327 329 331 333 335 337 339 341 343 345

Angolo di manovella (gradi)

C o m b u s ti bi le e v a por a to ( g ) Fig. 5.28: evaporazione del combustibile a 3000 g/min

Apertura esterna cono spray (gradi) Apertura interna cono spray (gradi) Massa iniettata (mg) Velocità di uscita del liquido (m/s) Diametro medio di Sauter delle gocce

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Nelle simulazioni, effettuate a 1000, 2000 e 3000 giri/min, sono stati utilizzati lo stesso modello geometrico (fig. 5.1), la stessa mesh (fig. 5.4), lo stesso combustibile (benzina), lo stesso diametro delle gocce dello spray e la stessa pressione di iniezione (110 bar) della tesi precedente; in questo modo è stato possibile confrontare i risultati e verificare l’influenza delle condizioni al contorno sul funzionamento del motore. E’ però necessario precisare che in questo codice non è possibile ottenere una rappresentazione realistica dello spray, in quanto si assegna, in corrispondenza dell’uscita dell’iniettore, un unico valore al diametro delle gocce.

Fig. 5.29: campo di moto sul piano di simmetria 330° dopo il PMS (KIVA)

Le immagini nelle figure sottostanti (5.30 – 5.32) sono relative al processo di formazione della carica stratificata a 1000 giri/min. Il carico è un terzo di quello massimo mentre l’iniezione inizia 33° prima del PMS (per altri dati si veda la tabella 5.3).

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Fig. 5.30: rapporto di equivalenza 30° prima del PMS (KIVA)

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esterna cono spray (gradi) interna cono spray (gradi) iniettata (mg) uscita del liquido (m/s)

Sauter delle gocce all’uscita dell’ iniettore (µm) iniezione (ms) 86 70 6,7 125 35 0,2

Tabella 5.3: dati impostati nella simulazione per l’iniezione a 1000 g/min

Le immagini nelle figure sottostanti (5.33 – 5.36) sono relative al processo di formazione della carica stratificata a 2000 giri/min.

Fig. 5.33: campo di moto su un piano passante per l’asse

della valvola e parallelo al piano di simmetria 45° dopo il PMS (KIVA)

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della valvola e parallelo al piano di simmetria 180° dopo il PMS (KIVA)

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-2 -1.5 -1 -0.5 0 0.5 1 1.5 0 40 80 120 160 200 240 280 320 Angolo di manovella N ° d i T u m b le N°di tumble X N° di tumble Y

Fig. 5.37: numero di tumble in funzione dell’angolo di manovella a 2000 giri al minuto

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0.00E+00 1.00E-03 2.00E-03 3.00E-03 4.00E-03 5.00E-03 6.00E-03 7.00E-03 8.00E-03 320 325 330 335 340 345 350

angolo di manovella (gradi)

m assa d i com b u s ti b il e evap o rat a ( g )

Fig. 5.41: massa di combustibile evaporata in funzione dell’angolo di manovella a 2000 g/min

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esterna cono spray (gradi) interna cono spray (gradi) iniettata (mg) uscita del liquido (m/s)

Sauter delle gocce all’uscita dell’ iniettore (µm) iniezione (ms) 86 70 7,7 125 35 0,2

• Combustione

Per poter effettuare un confronto con i risultati ottenuti nella tesi precedente, per questa prova è stata presa in considerazione una combustione a 2000 giri al minuto ad un terzo del carico massimo. La fasatura dell’accensione, anche in questo caso, è stata tarata di modo da ottenere la massima pressione media nel cilindro 8° dopo il PMS. Le figure sottostanti (5.42-5.46) riportano le mappe della temperatura e della concentrazione del combustibile durante la combustione. Anche in questo caso, come risulta dalle immagini sottostanti, si riesce a mantenere la stratificazione anche durante la fase di combustione. La quantità di benzina rimasta dopo 30° dall’inizio della combustione (fig. 5.47) è all’incirca la stessa di quella della tesi precedente.

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Fig. 5.43: mappa della temperatura al PMS (KIVA)

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Fig. 5.47: mappa della concentrazione del combustibile 30° dopo il PMS (KIVA)

5.3.3 Le simulazioni a 3000 giri/min • Analisi del campo di moto

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Fig. 5.51: rapporto di equivalenza 15° prima del PMS (KIVA) Apertura esterna cono spray (gradi) Apertura interna cono spray (gradi) Massa iniettata (mg) Velocità di uscita del liquido (m/s) Diametro medio di Sauter delle gocce

5.4 Conclusioni

Confrontando i risultati delle simulazioni riportate nella tesi precedente con quelli ottenuti utilizzando le nuove condizioni al contorno, si notano delle sostanziali differenze in termini di riempimento e di velocità dell’aria nel cilindro (fig. 5.37).

Dai risultati delle simulazioni, risulta che la quantità di ossigeno intrappolata è, nel secondo caso, maggiore del 20% rispetto al primo; questo permette di iniettare in anticipo rispetto al caso precedente senza avere impingement, in quanto la contropressione incontrata dallo spray a parità di angolo di manovella è maggiore. In questo modo, aumentando l’intervallo di tempo tra iniezione ed accensione, si riesce ad ottenere una maggiore diffusione della benzina nell’aria contenuta nell’incavo ricavato nel cielo del pistone; di conseguenza il titolo della miscela nella zona di accensione è, rispetto al caso precedente, più vicino allo stechiometrico, condizione favorevole per ottenere un sicuro innesco della combustione e ridurre le emissioni di particolato.

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secondo caso, più vicina alla superficie della testata; questo è dovuto sia alla maggiore velocità dell’aria nel cilindro, dovuta al maggior riempimento, sia al maggior intervallo di tempo tra fine della fase di iniezione e accensione.