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CAPITOLO 9
Introduzione
In questi capitolo vengono riportati i risultati condotti sui vari modelli sviluppati: per ogni modello è stata condotta la relativa prova ad aria e successivamente è stata calcolata sia la quantità di idrogeno, necessaria per avere un rapporto d'equivalenza pari a 0.8, sia l'istante di apertura delle iniezioni. Inoltre, per i modelli più promettenti sono state effettuate delle simulazioni per vedere il comportamento a carichi ridotti impiegando un rapporto di equivalenza pari a 0.4: in tal caso l'iniezione comincia a 276°.
Risultati ottenuti
Le grandezze caratteristiche di interesse, che permettono di confrontare tra loro i risultati ottenuti all'interno del dominio, sono la distribuzione del campo d'infiammabilità e del rapporto di equivalenza e possono essere costruite direttamente in ambiente Fluent. Il primo modello realizzato (a) è riportato nell'immagine seguente:
modello (a)
e risulta dotato di due iniettori disposti frontalmente alla luce di scarico. Una disposizione degli iniettori di questo genere, origina, durante l'iniezione, l'effetto Coanda caratterizzato dalla tendenza dell'idrogeno a seguire il contorno di una superficie vicina. Il getto, che scorre lungo la parete verticale del cilindro vicina alla luce di scarico, impatta successivamente sul pistone, che sta salendo verso il punto morto superiore, rompendosi in altri getti. L'angolo di iniezione impiegato è pari a circa 80° e non si rileva presenza di idrogeno nella luce di scarico.
Nelle immagini da fig. 1 a fig. 4 si riportano alcune immagini che descrivono l'interazione gassosa con le pareti verticali del cilindro e del pistone. Il rapporto di equivalenza utilizzato è 0,8.
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fig.1
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fig.3
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Quando il pistone termina la corsa di compressione, si rilevano le seguenti distribuzioni relative al campo di accensione ed al rapporto di equivalenza:
distribuzione del campo di infiammabilità
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La distribuzione dell'idrogeno non risulta particolarmente efficace in quanto si supera il limite superiore del campo di accendibilità nella parte delle testata sovrastante la luce di scarico: in caso di combustione tale zona non sarebbe raggiunta dal fronte di fiamma con la rilevante conseguenza di non sfruttare tutto l'idrogeno iniettato. La situazione risulta chiara analizzando un piano trasversale all'asse del motore all'altezza del pistone:
distribuzione del campo di infiammabilità in un piano trasversale all'altezza del pistone
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Considerando ancora un piano trasversale posto a metà altezza della testata, la situazione migliora poiché la concentrazione di idrogeno in aria è all'interno del campo di infiammabilità:
distribuzione del campo di infiammabilità in un piano trasversale all'altezza del pistone
La quantità di idrogeno fuggita nello scarico risulta pari al 5
un miscelamento più efficace è stato realizzato un secondo modello entrambe le luci di lavaggio centrali
modello (b)
I risultati ottenuti sono riportati nelle immagini seguenti:
distribuzione del campo di infiammabilità
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idrogeno fuggita nello scarico risulta pari al 5,48% della massa iniettata.
un miscelamento più efficace è stato realizzato un secondo modello (b) con gli iniettori disposti su entrambe le luci di lavaggio centrali cercando una configurazione di simmetria
I risultati ottenuti sono riportati nelle immagini seguenti:
48% della massa iniettata. Per cercare con gli iniettori disposti su cercando una configurazione di simmetria:
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distribuzione del rapporto di equivalenza
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distribuzione del rapporto di equivalenza sul piano del pistone
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distribuzione del rapporto di equivalenza sul piano mediano
Il modello dimostra un buon miscelamento ed una buona distribuzione del campo di infiammabilità che consente di propagare la fiamma in tutti i punti della testata. Purtroppo la perdita allo scarico di idrogeno è pari al 14,3% della massa introdotta nella testata. Per analizzare il comportamento a carichi più bassi è stato simulato il comportamento del motore con rapporto di equivalenza pari a 0,4: in tal caso, come si può notare nell'immagine seguente, si consegue purtroppo una pessima distribuzione del campo di accensione che impedisce la propagazione del fronte di fiamma:
distribuzione del campo di infiammabilità sul piano del pistone
L'analisi è proseguita con la realizzazione di un altro modello configurazione simmetrica con gli iniettori inclinati:
modello (c)
Purtroppo i risultati forniti da tale configurazione non sono risultati soddisfacenti perchè si vengono a realizzare zone che superano il limit
impedendo l'accensione della carica aria ben distribuito nel piano di mezzeria del motore della massa introdotta.
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sul piano del pistone
L'analisi è proseguita con la realizzazione di un altro modello, (c), caratterizzato ancora da una configurazione simmetrica con gli iniettori inclinati:
Purtroppo i risultati forniti da tale configurazione non sono risultati soddisfacenti perchè si vengono a realizzare zone che superano il limiti superiore ed inferiore
l'accensione della carica aria-idrogeno. Inoltre il rapporto di equivalenza non risulta el piano di mezzeria del motore e la fuoriuscita di idrogeno aumenta fino al 2
caratterizzato ancora da una
Purtroppo i risultati forniti da tale configurazione non sono risultati soddisfacenti perchè si superiore ed inferiore di infiammabilità Inoltre il rapporto di equivalenza non risulta e la fuoriuscita di idrogeno aumenta fino al 25,8%
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distribuzione del campo di infiammabilità sul piano di mezzeria
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distribuzione del campo di infiammabilità all'altezza del pistone
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distribuzione del campo di infiammabilità sul piano mediano
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Continuando l'indagine, gli iniettori, disposti ancora in posizione inclinata, sono stati spostati nella parte posteriore della testata davanti alla luci di lavaggio centrali. Il modello ottenuto (d) è rappresentato nell'immagine seguente:
modello (d)
La distribuzione del campo di infiammabilità nel piano di mezzeria non risulta migliorata:
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Sul piano del pistone al punto morto superiore, si verificano il solito addensamento di idrogeno nella parte di testata che sovrasta la luce di scarico impedendo una distribuzione omogenea del campo di accensione e del rapporto di equivalenza:
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rapporto di equivalenza
Le distribuzione del campo di accensione e del rapporto di equivalenza in un piano a metà testata risultano rappresentate rispettivamente nelle immagini seguenti:
La massa di idrogeno fuggita dallo scarico ammonta al 17 introdotta nel motore. L'ultimo modello
iniettori è riportato in seguito e presenta gli iniettori disposti frontalmente alla luce di scarico e più vicini alle luci di lavaggio laterali:
modello (e)
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La massa di idrogeno fuggita dallo scarico ammonta al 17,9% della massa complessivamente L'ultimo modello, (e), caratterizzato da un'architet
è riportato in seguito e presenta gli iniettori disposti frontalmente alla luce di scarico e più vicini alle luci di lavaggio laterali:
9% della massa complessivamente caratterizzato da un'architettura simmetrica degli è riportato in seguito e presenta gli iniettori disposti frontalmente alla luce di scarico e
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campo di infiammabilità nel piano di mezzeria
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Anche in questo modello il limite di infiammabilità viene superato nella parte posteriore della testata: il rapporto di equivalenza tende ad aumentare gradualmente dalla parte anteriore della testata verso la parte posteriore. All'altezza del pistone si ottengono le seguenti distribuzioni:
campo di infiammabilità nel piano all'altezza del pistone
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Su un piano posizionato a metà altezza della testata si verifica che la miscela è in grado di accendersi e che il rapporto di equivalenza risulta compreso tra 0,6 e 1,6:
campo di infiammabilità
Dai calcoli si nota una riduzione della fuga di idrogeno allo scarico che si riduce al 1,67% della massa introdotta.
particolarmente soddisfacente; per tale motivo sono stati realizzati modelli con iniettori disposti frontalmente sulla linea di mezzeria delle luci di lavaggio. La prima a
seguente generando il modello (f
modello (f)
La distribuzione dei limiti di accensione risulta migliorata infatti l'idrogeno è miscelato con l'aria in concentrazioni comprese all'interno dei limiti di
campo di infiammabilità nel piano di mezzeria
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Dai calcoli si nota una riduzione della fuga di idrogeno allo scarico che si riduce
% della massa introdotta. La distribuzione con iniettori affiancati non risulta ; per tale motivo sono stati realizzati modelli con iniettori disposti frontalmente sulla linea di mezzeria delle luci di lavaggio. La prima architettura realizzata è stata la
f):
La distribuzione dei limiti di accensione risulta migliorata infatti l'idrogeno è miscelato con l'aria in concentrazioni comprese all'interno dei limiti di infiammabilità in tutte le zone della testata:
nel piano di mezzeria
Dai calcoli si nota una riduzione della fuga di idrogeno allo scarico che si riduce drasticamente fino La distribuzione con iniettori affiancati non risulta ; per tale motivo sono stati realizzati modelli con iniettori disposti rchitettura realizzata è stata la
La distribuzione dei limiti di accensione risulta migliorata infatti l'idrogeno è miscelato con l'aria in in tutte le zone della testata:
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Il rapporto di equivalenza aumenta dalle zone periferiche verso l'interno della testata come si nota dall'immagine seguente; tuttavia permane una zona particolarmente ricca di miscela vicino alla sommità della testa che potrebbe creare dei punti caldi. La massima temperatura di combustione si raggiunge al centro della camera di combustione in quanto in tale zona la miscela è debolmente ricca:
distribuzione del rapporto di equivalenza
All'altezza del pistone il campo di accensione ed il rapporto di equivalenza risultano così distribuiti:
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andamento del rapporto di equivalenza
In alcuni zone, localizzate vicino alla pareti del cilindro, si nota che la miscela è a rischio accensione: spostando l'attenzione su un piano posto a metà testata si hanno i seguenti risultati:
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rapporto di equivalenza
La quantità d'idrogeno scappata dalla luce di scarico ammonta al 15,2% della massa totale introdotta. Il modello in esame, mostrando risultati incoraggianti, è stato simulato comunque anche con rapporto di equivalenza 0,4: di seguito si riportano le distribuzioni ottenute:
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distribuzione del rapporto di equivalenza nel piano di mezzeria
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rapporto di equivalenza sul piano all'altezza del pistone
mentre a metà testata si ricavano le seguenti distribuzioni:
rapporto di equivalenza
Un'architettura del genere mostra un buon comportamento con rapporto di equivalenza pari a 0 ma, riducendo tale grandezza fino a 0
inferiore di infiammabilità in quelle zone localizz candela. Per migliorare le prestazioni si è deci
di poter aumentare la libertà di posizionare l'iniettore: tale operazione è lecita in quanto anch motore reale è possibile spostare l'alloggiamento della candela tramite operazioni meccaniche. tal modo è stato realizzato un altro modello
modello (g)
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Un'architettura del genere mostra un buon comportamento con rapporto di equivalenza pari a 0 ma, riducendo tale grandezza fino a 0,4, si nota che la miscela aria idrogeno raggiunge il limite inferiore di infiammabilità in quelle zone localizzate vicino alle pareti del cilindro e nei pressi della Per migliorare le prestazioni si è decide di spostare la candela in un'altra posizione al fine
ertà di posizionare l'iniettore: tale operazione è lecita in quanto anch è possibile spostare l'alloggiamento della candela tramite operazioni meccaniche. tal modo è stato realizzato un altro modello (g) che presenta gli iniettori disposti frontalmente: Un'architettura del genere mostra un buon comportamento con rapporto di equivalenza pari a 0,8
4, si nota che la miscela aria idrogeno raggiunge il limite ate vicino alle pareti del cilindro e nei pressi della di spostare la candela in un'altra posizione al fine ertà di posizionare l'iniettore: tale operazione è lecita in quanto anche nel è possibile spostare l'alloggiamento della candela tramite operazioni meccaniche. In
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Sul piano di mezzeria il campo di accensione ed il rapporto di equivalenza sono rappresentati rispettivamente nelle immagini riportate di seguito:
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All'interno della testata rimangono zone in cui l'accensione risulta impedita infatti il rapporto di equivalenza tende ad aumentare fino ad 1,9 al centro della testata. La situazione su un piano posto all'altezza del pistone è riportata nelle immagini seguenti:
campo di infiammabilità
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si può notare come il rapporto di equivalenza tenda ancora ad essere concentrato lontano dalle pareti: su tale piano, escludendo una zona sovrastante la luce di scarico, la miscela è all'interno del limite del campo di accensione. Analizzando la distribuzione del campo di infiammabilità e del rapporto di equivalenza sul solito piano posto a metà testata si nota che esiste una zona in cui l'accensione risulta impedita, ma nonostante ciò la carica tende ad arricchirsi al centro del piano, lontano dalle pareti:
campo di infiammabilità
La perdita d'idrogeno è pari al 7,17% della massa introdotta. Per consentire un'ulteriore flessibilità di
definitivamente la candela che sarà spostata nel luogo più adatto della testa dopo aver analizzato i risultati della simulazione. Attraverso questa scelta è stato realizzato il modello seguente caratterizzato dalla presenza degli iniettori disposti lungo una linea inclinata rispett
scarico:
modello (h)
Sul piano di mezzeria risultano le seguenti distribuzioni del campo di di equivalenza:
campo di infiammabilità
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La perdita d'idrogeno è pari al 7,17% della massa introdotta.
ulteriore flessibilità di posizionamento degli iniettori è stata eliminata sarà spostata nel luogo più adatto della testa dopo aver analizzato i . Attraverso questa scelta è stato realizzato il modello seguente caratterizzato dalla presenza degli iniettori disposti lungo una linea inclinata rispett
Sul piano di mezzeria risultano le seguenti distribuzioni del campo di infiammabilità
posizionamento degli iniettori è stata eliminata sarà spostata nel luogo più adatto della testa dopo aver analizzato i . Attraverso questa scelta è stato realizzato il modello seguente (h) caratterizzato dalla presenza degli iniettori disposti lungo una linea inclinata rispetto alla luce di
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rapporto di equivalenza
La carica può accendersi in ogni punto della camera di combustione e l'idrogeno, inoltre, risulta ben distribuito all'interno di una vasta zona della testata. Su un piano ortogonale all'asse del cilindro e passante per il pistone si notano le seguenti distribuzioni del campo di infiammabilità e del rapporto di equivalenza:
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rapporto di equivalenza in un piano posto all'altezza del pistone
mentre anche a metà altezza della testata si nota che la miscela può accendersi e che l'idrogeno è ben distribuito:
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distribuzione del rapporto di equivalenza
La configurazione appena presentata fornisce le migliori prestazioni in quanto consente contemporaneamente di distribuire l'idrogeno in modo abbastanza omogeneo e di formare una miscela in grado di accendersi, anche se la perdita di idrogeno risulta pari al 9,78% della massa totale iniettata. L'analisi ha consentito di indagare il comportamento del motore anche a carichi più bassi. Adoperando un rapporto di equivalenza pari a 0,4 tale architettura ha fornito i seguenti risultati:
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distribuzione del rapporto di equivalenza
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rapporto di equivalenza su un piano all'altezza del pistone
distribuzione del rapporto di equivalenza su un piano a metà testata
Tale configurazione degli iniettori permette un discreto comportamento del motore ai carichi parziali, perché la miscela si può accendere in diverse parti della camera di combustione e il rapporto di equivalenza risulta
partecipa alla combustione è la zona della testata situata davanti alla luce di sca ottenuti da tale configurazione sono i migliori perch
dell'idrogeno che ne permette l'
combustione in presenza sia di carichi alti che di caldi.
Modifica della geometria della camera di combustione
Le simulazioni effettuate hanno tenuto conto semplicemente della disposizione degli iniettori sulla testata ma non della geometria della camera
due simulazioni su due modelli già creati al fine di analizzare la distribuzione dell'idrogeno in presenza di un pistone dotato di una bowl
compressione del motore. Il primo modello che è stato simulato con un pistone il modello (a) perché, essendo soggetto ad
del getto con la bowl.
testata del modello (a) con il pistone dotato di bowl
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distribuzione del rapporto di equivalenza su un piano a metà testata
Tale configurazione degli iniettori permette un discreto comportamento del motore ai carichi la miscela si può accendere in diverse parti della camera di combustione e il rapporto di equivalenza risulta comunque ben distribuito sui vari piani. L'unica zona che non partecipa alla combustione è la zona della testata situata davanti alla luce di sca
ottenuti da tale configurazione sono i migliori perché assicurano un'ottima distribuzione accensione con l'aria nel maggior numero di zone della camera di in presenza sia di carichi alti che di carichi bassi limitando la formazione di punti
Modifica della geometria della camera di combustione
Le simulazioni effettuate hanno tenuto conto semplicemente della disposizione degli iniettori sulla testata ma non della geometria della camera di combustione; al riguardo sono state effettuate due simulazioni su due modelli già creati al fine di analizzare la distribuzione dell'idrogeno in presenza di un pistone dotato di una bowl che comporta una riduzione del rapporto di
Il primo modello che è stato simulato con un pistone
essendo soggetto ad effetto Coanda, se ne è voluto analizzare l'interazione
testata del modello (a) con il pistone dotato di bowl
Tale configurazione degli iniettori permette un discreto comportamento del motore ai carichi la miscela si può accendere in diverse parti della camera di combustione e il n distribuito sui vari piani. L'unica zona che non partecipa alla combustione è la zona della testata situata davanti alla luce di scarico. I risultati assicurano un'ottima distribuzione accensione con l'aria nel maggior numero di zone della camera di carichi bassi limitando la formazione di punti
Le simulazioni effettuate hanno tenuto conto semplicemente della disposizione degli iniettori sulla di combustione; al riguardo sono state effettuate due simulazioni su due modelli già creati al fine di analizzare la distribuzione dell'idrogeno in che comporta una riduzione del rapporto di Il primo modello che è stato simulato con un pistone modificato è stato è voluto analizzare l'interazione
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Dall'analisi dei risultati si nota che cambiando la geometria della camera di combustione non si modifica sostanzialmente la distribuzione del campo di accensione e neppure quella del rapporto di equivalenza, come si può notare dalla immagini seguenti:
distribuzione del campo di infiammabilità
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campo d'infiammabilità nel piano del pistone
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campo d'infiammabilità nel piano medio
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L'effetto della forma della bowl si traduce nell'arricchire leggermente la carica nei pressi della testa del pistone e nelle vicinanze della testata, sia lungo la parete posteriore sia lungo la parete anteriore sopratutto nella zona sovrastante la luce di scarico in cui si registra un incremento del rapporto di equivalenza rispetto alla versione con il pistone originale. Inoltre la perdita di idrogeno aumenta passando dal 5,48% del modello iniziale fino al 22,4%: ciò è dovuto alla turbolenza sviluppata dalla bowl che favorisce moti della carica svantaggiosi dal punto di vista dell'intrappolamento e del miscelamento dell'idrogeno. Per indagare in maniera più approfondita è stata impiegata un'altra bowl con un modello dotato di un miglior comportamento fluidodinamico. Al riguardo è stata scelta l'architettura del modello (h):
testata del modello (h) dotata di una bowl differente
Operando con rapporto di equivalenza 0.8 si ottengono i seguenti risultati:
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distribuzione del rapporto di equivalenza nel piano di mezzeria
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distribuzione del rapporto di equivalenza all'altezza del pistone
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distribuzione del rapporto di equivalenza sul piano mediano
La presenza della bowl tende a diluire la concentrazione di idrogeno che risulta più concentrato intorno al pistone e più diluito vicino alle pareti, deformando così le distribuzioni dei campi relative al modello con il pistone originale: nonostante ciò, la carica rimane comunque sempre all'interno del campo di infiammabilità. Anche nel modello in esame si assiste ad un aumento della perdita di idrogeno che passa da 9,78% fino al 13,5% della massa completamente introdotta. In generale quindi non conviene introdurre un pistone dotato di bowl nel motore in esame, perché si vengono a creare dei moti della carica tali da aumentare la fuga di idrogeno senza incrementare notevolmente il miscelamento.
Riduzione delle perdite allo scarico
Dopo aver ottenuto le distribuzioni inerenti il campo di accensione ed il rapporto di equivalenza del motore, impiegando diverse disposizioni degli iniettori sulla testata, ed aver trovato qualche soluzione soddisfacente può essere utile cercare di ridurre le fughe di idrogeno allo scarico impiegando una pressione di iniezione maggiore così da aumentare sia la pressione critica di fine iniezione sia la portata elaborata in modo tale da ritardare l'iniezione ed aspettare che la luce di scarico risulti quasi chiusa. Ovviamente nelle prove sono stati utilizzati i modelli migliori caratterizzati dai minimi valori delle perdite oppure dalle migliori distribuzioni del rapporto di equivalenza. In ogni caso, attraverso tali simulazioni, si può arrivare a notare gli effetti sul miscelamento al variare della pressione di iniezione. Per reimpostare le simulazioni è stato necessario ricalcolare tutti i parametri, quali l'angolo di raggiungimento della pressione critica, la portata elaborata e l'angolo di inizio iniezione. Il primo modello ad essere analizzato è stato il modello (h) che ha dimostrato un buon miscelamento. Incrementando la pressione degli iniettori
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fino ad 8 bar e tenendo costante l'angolo di fine iniezione, si può cominciare l'iniezione a 252° per realizzare un rapporto di equivalenza pari a 0,8. Dalle simulazioni si nota che la miscela è in condizione di accendersi in buona parte della testata, ma rispetto al caso precedente in cui si operava con 6 bar, ne consegue una peggior distribuzione del campo di accensione in quanto la zona anteriore della testata non è capace di accendersi.
campo di infiammabilità
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Al centro della testata si localizza un addensamento di idrogeno, abbastanza esteso, che aumenta il rapporto d'equivalenza fino ad 1,3 incrementando così la temperatura di combustione. Le distribuzioni relative ad un piano all'altezza del pistone:
campo di infiammabilità
rapporto di equivalenza
Operando con una pressione superiore anche sul piano all'altezza del pistone ne segue un miscelamento meno spinto: ciò può essere spiegato con un getto più penetrante che risente molto
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meno dell'effetto dell di lavaggio. Sul piano mediano la miscela è in condizioni di accendersi tranne nella zona anteriore della testata. La perdita allo scarico si riduce fino al 6,85%.
distribuzione del campo di infiammabilità sul piano mediano
Successivamente è stata eseguita un'altra simulazione in cui tutti i parametri sono stati mantenuti costanti ad eccezione della pressione finale di iniezione che è stata fatta coincidere con la pressione critica: in tale simulazione l'iniezione comincia a 262° e finisce a 329°.
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Il campo di accensione rimane confinato nella parte centrale della testata, ma si nota un peggior miscelamento in quanto la zona caratterizzata dal limite inferiore di infiammabilità tende a spostarsi dalla parte anteriore della testata verso la zona centrale. Il rapporto di equivalenza tende ad aumentare verso il centro della testata ed a ridursi verso la zona periferica come si può notare nell'immagine seguente:
rapporto di equivalenza
Sul piano trasversale all'altezza del pistone non si notano sostanziali migliorie:
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rapporto di equivalenza
La simulazione dimostra quindi come traslando l'angolo di iniezione verso la fine della corsa di compressione non aiuta il miscelamento della carica. La perdita di idrogeno diminuisce fino al 3,3%. Per tentare di eliminare tale fuga è stato necessario elevare la pressione di iniezione fino a 10 bar. I risultati hanno mostrato un peggioramento della distribuzione della carica in camera di combustione in quanto la concentrazione di idrogeno aumenta nel centro della testata e si riduce vicino alla parete anteriore espandendo così la zona caratterizzata dal limite inferiore di infiammabilità.
130
distribuzione del rapporto di equivalenza
Si può concludere che l'aumento di pressione favorisce la penetrazione del getto che tende ad andare verso il centro della camera di combustione creando una miscela ricca nella zona centrale e molto povera nelle zone più lontane.
Un altro modello che è stato simulato con una pressione di iniezione di 8 bar è stato il modello (g). L'iniezione viene fatta terminare a 318,5° per migliorare il miscelamento della carica; l'angolo di inizio iniezione è 252°. Dai risultati si nota che l'idrogeno tende ad essere distribuito in modo più omogeneo nella testata consentendo a tutta la zona centrale della testata di essere compresa all'interno del campo di accensione: l'unica zona che non può accendersi è la parte anteriore della testata. Rispetto al modello precedente si consegue una migliore ditribuzione nella zona centrale:
131 campo di accensione
Il modello presenta una miscela ricca in più zone della testata come risulta dalla distribuzione del rapporto d'equivalenza:
distribuzione del rapporto di equivalenza
Da un esame del campo di accensione sul piano del pistone ne risulta un aumento della zona anteriore della testata incapace di accendersi.
132
In questo modello il miscelamento è migliore nella zona centrale, ma peggiora nella zona anteriore della testata originando una zona abbastanza estesa che impedisce la propagazione del fronte di fiamma. La perdita di idrogeno vale 5%. Per continuare l'analisi è stato preso in considerazione il modello (e) perché caratterizzato da una ridotta fuga di idrogeno già operando con una pressione di 6 bar. Incrementando la pressione di iniezione ad 8 bar si rileva la presenza di una zona, nella parte posteriore del cilindro, in cui la combustione non può avvenire, come risulta dall'analisi del campo di infiammabilità:
campo di infiammabilità
Inoltre la miscela è a rischio accensione anche nella parte anteriore del motore. Il rapporto di equivalenza in un piano contente l'asse del cilindro è il seguente:
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In un piano trasversale all'asse e posto all'altezza del pistone si nota che la miscela aria idrogeno non può accendersi anche nella parte anteriore
campo di infiammabilità
Il rapporto di equivalenza su tale piano, origina un addensamento di idrogeno nella parete posteriore del cilindro, come risulta dall'immagine seguente:
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La situazione non migliora nemmeno sul piano medio in cui sorge una zona che non può essere raggiunta dal fronte di fiamma:
campo di infiammabilità nel piano medio
La perdita allo scarico dell'idrogeno vale 2,24%; in tal caso anzichè assistere ad una riduzione della perdita si è assisitito all'effetto contrario. L'incremento può essere spiegato con l'aumento della pressione che genera un getto più penetrante: infatti in questa simulazione l'angolo di inizio iniezione è pari a 255° e per tale valore la luce di scarico è ancora aperta. Il solito modello è stato simulato con una pressione di iniezione di 10 bar, ma i risultati sono peggiorati. Infatti le zone in cui la miscela non è in grado di accendersi risultano più estese rispetto alla simulazione effettuata con 8 bar. L'iniezione viene fatta avvenire tra 275° e 329° per avere la certezza della chiusura della luce di scarico:
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Il rapporto di equivalenza che arriva a punte di 2,8 risulta così distribuito:
distribuzione del rapporto di equivalenza
Introducendo un piano posto all'altezza del pistone si nota un aumento dell'area delle zone in cui la miscela non può accendersi: la situazione peggiora anche sul piano mediano come si può notare nel seguito:
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campo di infiammabilità sul piano a metà testata
Il modello ovviamente non presenta perdite di idrogeno, ma la presenza di un getto molto forte ed il ridotto periodo a disposizione per effettuare il miscelamento comportano delle pessime distribuzioni in camera di combustione caratterizzate da massicci addensamenti di idrogeno, soprattutto vicino alla parete posteriore, tali da impedire la propagazione del fronte di fiamma. Infine è stato simulato il modello (b) che durante l'iniezione a 6 bar ha dimostrato un buon miscelamento, ma anche un eccesso di perdita allo scarico di idrogeno, pari a 14,3% della massa iniettata. La simulazione di tale modello ha mostrato un miscelamento particolarmente intenso nella zona in prossimità del pistone, ma non molto efficace nella parte superiore della testata in cui si formano zone in cui la fiamma potrebbe estinguersi.
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andamento del rapporto d'equivalenza
In un piano ortogonale all'asse all'altezza del pistone il campo di accensione presenta delle zone in cui la miscela è fuori dai valori di infiammabilità:
campo di infiammabilità
mentre il rapporto di equivalenza risulta variabile formando delle zone ricche alternate a zone povere: in buona parte della sezione la miscela è ricca e potrebbe raggiunge il valore massimo di temperatura durante la combustione causando la presenza di eventuali punti caldi sul pistone.
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rapporto di equivalenza
sul piano medio la carica può accendersi anche se si nota la presenza di alcune lingue che potrebbero ostacolare la propagazione del fronte di fiamma:
campo di accensione nel piano medio
La carica non risulta opportunamente distribuita in tale piano perché si può notare la presenza di due zone, abbastanza simmetriche, caratterizzate da una miscela ricca rispetto alle altre zone; ciò viene anche confermato dall'evidenza del rapporto di equivalenza nell'immagine seguente:
139 distribuzione del rapporto di equivalenza
Il modello in esame ha dimostrato, a differenza degli altri, la tendenza a creare zone ricche vicino al pistone e nella parte anteriore della testata. Purtroppo il miscelamento crea delle zone che impediscono l'accensione della miscela nella parte alta della camera di combustione. In questo modello, poiché l'inizio dell'iniezione avviene a 275,5° quando la luce di scarico è già chiusa, non si verifica la fuga di idrogeno allo scarico.
In ultima analisi si riporta l'andamento della portata di idrogeno al variare della pressione del cilindro, per i differenti valori della pressione d'iniezione impiegata:
140
come si nota la portata elaborata dagli iniettori tende a ridursi incrementando la pressione del cilindro.
Conclusioni
Dai risultati si nota che l'uso di due iniettori disposti frontalmente fornisce il miglior miscelamento della carica, anche se alcuni modelli non mostrano un campo d'infiammabilità ottimale per la propagazione della fiamma in tutti i punti della camera di combustione. Un aspetto fondamentale che deriva da un'architettura del genere, è la distribuzione del rapporto d'equivalenza che si caratterizza per la presenza di una miscela lievemente ricca nel centro della camera di combustione e povera in prossimità delle superfici della testata; ciò comporta il raggiungimento di temperature elevate nelle zone centrali della testata, in quanto la carica è leggermente ricca, mentre nelle zone periferiche della testa le temperature risultano più basse e di conseguenza si riduce la possibilità di originare punti caldi che possono generare accensioni premature. La disposizione ad iniettori affiancati non risulta altrettanto efficace in quanto favorisce l'insorgere di addensamenti di idrogeno che eccedono il limite superiore d'infiammabilità oppure in altre zone si verifica una marcata presenza di aria tale da diluire troppo l'idrogeno e non superare quindi il limite inferiore d'infiammabilità. Operando ai carichi ridotti gli iniettori disposti frontalmente permettono di ottenere un comportamento discreto, originando un campo d'infiammabilità capace di propagare la fiamma in buona parte della testata anche se compaiono zone in cui l'accensione della miscela è a rischio. In quasi tutte le simulazioni effettuate si nota che la distribuzione della carica risulta molto buona su un piano trasversale posto a metà testata, a causa del forte miscelamento dovuto all'interazione con il moto dell'aria fresca inviata tramite il processo di lavaggio: al contrario, il miscelamento tende a peggiorare in un piano trasversale posto all'altezza del pistone in quanto il contributo dell'interazione con l'aria fresca tende a ridursi; inoltre il risultato è perturbato anche dalla presenza della testa del pistone. Nel motore in esame si nota che la sostituzione del pistone originale con un pistone dotato di bowl non introduce particolari migliorie, ma provoca semplicemente una distorsione della distribuzione del campo d'infiammabilità nelle vicinanza del pistone, rendendolo meno omogeneo; inoltre da un esame dell'andamento del rapporto d'equivalenza si nota che la bowl, oltre a ridurre il rapporto di compressione del motore, comporta un debole arricchimento della miscela nelle vicinanze della testa del pistone ed un incremento dell'idrogeno fuggito attraverso la luce di scarico. L'uso dell'idrogeno in un motore due tempi ha evidenziato un'altra problematica legata a tale tipo di motore: l'elevata quantità di gas combustibile persa nel condotto di scarico che, nel caso dell'idrogeno, risulta accentuata a causa dell'elevata diffusività di questo combustibile. Per tentare di limitare le perdite allo scarico sono state effettuate diverse simulazioni con pressioni d'iniezione superiore a 6 bar. I risultati ottenuti mostrano che sono ancora i modelli ad iniettori disposti frontalmente a dimostrare una distribuzione abbastanza omogenea della carica anche se nella parte anteriore della testata si genera una zona in cui la carica potrebbe non accendersi in quanto la concentrazione dell'idrogeno è prossima al limite inferiore d'infiammabilità. L'incremento di pressione, comunque, non fornisce un sostanziale miglioramento perché si viene a creare un getto molto penetrante che non interagisce con i moti dell'aria fresca all'interno del cilindro realizzando miscelamenti non ben distribuiti; inoltre l'elevata pressione del getto favorisce la fuoriuscita di
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idrogeno allo scarico nonostante si ritardi l'istante di inizio iniezione, come si può intuire notando che non si rilevano drastiche riduzioni delle perdite allo scarico, ma anzi, in alcune situazioni, è stato ottenuto addirittura un incremento dell'idrogeno fuggito nel condotto di scarico. Infine posticipare l'iniezione verso la fine della corsa di compressione non contribuisce ad ottenere una carica ben distribuita in quanto si riduce il tempo necessario a miscelare l'aria con l'idrogeno. Risulta utile analizzare anche il processo di combustione per determinare l'evoluzione del fronte di fiamma ed il relativo avanzamento per completare così l'analisi del miscelamento determinando anche l'eventuale campo di temperatura, utile per stimare la produzione di sostanze inquinanti quali gli ossidi d'azoto. Il lavoro svolto prevede ulteriori sviluppi quali uno studio dell'iniezione attraverso l'uso di iniettori multiforo, che permettono di frazionare il getto in più direzioni, e l'adozione di opportune strategie per ottenere una drastica riduzione delle perdite di idrogeno allo scarico.
