1.1 La combustione RCCI

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SOMMARIO

Scopo della tesi è la costruzione di un set di modelli in grado di simulare il comportamento di un motore due tempi, alimentato con due combustibili tramite doppia iniezione diretta. La strategia di combustione applicata è nominata Reactivity Controlled Compression Ignition (RCCI), la quale consiste nell'auto-accensione di una miscela a reattività stratificata.

L'obiettivo di tali modelli è di migliorare la comprensione dei fenomeni che accadono all'interno della camera di combustione e dare indicazioni utili per continuare la campagna di prove sperimentali su tale motore.

E' stato quindi costruito un modello 3D (CFD) del motore, utilizzando il software FIRE fornito da AVL. Per la modellazione dei fenomeni inerenti alla combustione tale codice è stato accoppiato con un solutore di cinetica chimica: Chemkin. Il dominio di calcolo considerato comprende la camera di combustione, le luci di aspirazione e il sistema di scarico completo.

Oltre a questo è stato approntato anche un semplice e veloce modello 0-D nel quale il processo di combustione è basato sull'ipotesi di carica omogenea accesa per compressione (HCCI), mentre il processo di lavaggio è basato su un modello a due zone. Lo scopo di questo modello è di fornire risultati di prima approssimazione in maniera immediata e una prima stima delle condizioni iniziali per i calcoli CFD.

La parte maggiore del lavoro è stata quindi la validazione del modello CFD, comparandone i risultati con dati sperimentali raccolti all'University of Wisconsin-Madison, che ha infine consentito di evidenziare il peso di fenomeni come la stratificazione di temperatura causata dal lavaggio e la stratificazione di reattività causata dall'iniezione.

Il modello 0-D realizzato si è dimostrato un valido strumento per il calcolo delle condizioni iniziali delle simulazioni CFD, dato che dopo soli due cicli motore le condizioni iniziali della simulazione sono uguali alle condizioni finali. La velocità di calcolo de tale modello è stata inoltre sfruttata per costruire mappe di funzionamento del motore al variare di svariati parametri come il rapporto tra i due combustibili (diesel e benzina), il rapporto di equivalenza, il rapporto di lavaggio, il regime del motore e il rapporto di compressione. Tali mappe potranno essere utili per guidare i futuri test sperimentali.

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ABSTRACT

Purpose of the thesis is the construction of a set of models able to simulate the behavior of a two-stroke engine, fed with two fuels through double direct-injection. The combustion strategy applied is called Reactivity Controlled Compression Ignition (RCCI), which prescribes the auto- ignition of a reactivity stratified mixture.

The goal of these models is to improve the understanding of the phenomena occurring inside the combustion chamber and give useful insight to continue the campaign of experimental tests on this engine.

A 3-D model of the engine has been built using the software FIRE provided by AVL. For the modeling of combustion the code has been coupled with a chemical kinetics solver: Chemkin. The computational domain considered includes the combustion chamber, the intake ports and the complete exhaust system.

A quick and simple 0 - D model was also realized in which the combustion process is based on the assump- tion of homogeneous combustion (HCCI), while the scavenging process is based on a two-zone model. The purpose of this model is to provide a first approximation results in a very short time and to supply suitable condi- tion inside the combustion chamber to initiate the CFD calculations.

The greater part of the work was then the validation of the CFD model by comparing its results with experimental data collected at the University of Wisconsin- Madison, which allowed to high-light and quantify the influence of phenomena such as the stratifications caused by scavenging process and injection.

The realized 0-D model has proven to be a reliable tool to calculate CFD simulation initial conditions: after only two cycles, in fact, the initial conditions of the engine cycle are equal to the final conditions of the same cycle. The efficiency in terms of computational time of this model has also been exploited to construct maps of engine operation at the changing of several parameters such as the ratio between the two fuels (diesel and gasoline), the equivalence ratio, the delivery ratio, the engine speed and the compression ratio (decreasing the volume at the top dead center). Such maps could be useful to guide future experimental tests.

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1 INTRODUZIONE

La spinta fornita dall'inasprimento dei regolamen- ti sulle emissioni inquinanti dei motori a combustione interna e il sempre maggior costo dei combustibili fossili ha stimolato sia l'industria sia la ricerca verso lo studio di tecniche per diminuire contemporaneamente le emissioni inquinanti e il consumo di tali dispositivi. Le tecniche di combustione definite innovative hanno il potenziale di raggiungere contemporaneamente questi due sco- pi.

In tale contesto, presso l'University of Wisconsin- Madison, è stata sviluppata una nuova strategia di combustione denominata RCCI (Reactivity Control- led Compression Ignition) nella quale viene formata una carica a reattività stratificata, utilizzando due combustibili dalle opposte caratteristiche di reatti- vità e volatilità, che si auto-accende per compressione. Tale combustione è applicata in un motore due tempi, iniezione diretta, con luci e alimentazione tramite carter-pompa.

Per ottimizzare tale applicazione e supportate l'attività sperimentale, in questa tesi è stato studia- to tale motore con tecniche di calcolo computazionale mediante l'utilizzo di modelli 3D e 0D.

1.1 La combustione RCCI

Il concetto alla base delle tecniche di combustione innovative è quello della combustione HCCI (homogenous charge compression ignition), dove una carica idealmente omogenea è accesa presso- ché simultaneamente per auto-accensione. In tale modo si cerca ottenere un elevato rendimento grazie al rapporto di compressione, riducendo se non eliminando la produzione di PM e NOx in quan- to non saranno presenti né fiamme di propagazio-

ne a temperature elevate (come nei motori ad accensione comandata) né zone eccessivamente ric- che o picchi locali di temperatura (come nei classici motori ad accensione spontanea). La combustione HCCI è stata ideata attorno agli anni 80 ma fino ad ora non vi è ancora stato modo di applicarla diffu- samente, rimanendo quindi confinata al mondo della ricerca. I suoi principali difetti sono difatti la mancanza di un controllo diretto e veloce sulla fasatura di combustione e un'inaccettabile ruvidità di funzionamento agli alti e medi carichi. Per supe- rare tali difetti sono state proposte numerose solu- zioni; una delle più promettenti è stata denominata RCCI ideata e studiata profondamente all'University of Wisconsin-Madison. Tale tipologia di combustione prevede la formazione di una miscela omogenea di combustibile poco reattivo (ad esempio benzina) tramite iniezione indiretta o iniezione diretta molto anticipata. In seguito, circa 40 gradi prima del pun- to morto superiore, è iniettato un combustibile ad alta reattività (ad esempio gasolio). Questa secon- da iniezione causa una stratificazione sia di rappor- to di equivalenza che di reattività. Quest'ultima stratificazione è quella che sembra influire maggiormente sul rilascio del calore difatti le zone con più alta reattività iniziano la combustione per pri- me, seguite dalle zone a più bassa reattività. Que- sto rilascio di calore a stadi riduce il gradiente di pressione in camera, riducendo il rumore le solleci- tazioni meccaniche e permettendo di allargare il campo di funzionamento verso carichi più alti. Inol- tre in tale tipo di combustione si ottiene nuova- mente controllo diretto sulla fasatura di combustione, sia variando il tempo d'iniezione ma soprat- tutto variando il rapporto tra la massa di combustibile a bassa reattività e la massa di combustibile ad alta reattività.

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1.2 Il motore

In questo studio tale combustione è applicata ad un motore due tempi con aspirazione e scarico tramite luci, alimentazione a carter-pompa e doppia iniezione diretta. Il motore originale è un bici- lindrico in linea di 864 cm³, con potenza di circa 60 cavalli a 5740 giri/min, prodotto da Bombardier Recreational Products per imbarcazioni da diporto con motore fuoribordo. Uno dei cilindri è stato mantenuto in configurazione standard (accensione per scintilla, iniezione diretta e rapporto di compressione effettivo di 6.1) mentre l'altro è stato convertito per funzionare con combustione RCCI, cosi da poter facilmente comparare i risultati. Il cilindro RCCI così prodotto è raffigurato in Fig. 1-1.

Fig. 1-1 - Caratteristiche principali del cilindro RCCI La mancanza di valvole e candele sulla testa del cilindro ha permesso quindi di installare un inserto ove sono alloggiati i due iniettori per i due combustibili. Tali iniettori sono originariamente impiegati per applicazioni GDI a bassa pressione, uno per l'iniezione di benzina (bassa reattività) e uno per l'iniezione di gasolio (alta reattività), entrambi i- niettati ad una pressione d'iniezione di 100bar.

Inoltre tale inserto è regolabile in altezza utilizzando delle lamelle conformate di spessore variabile.

Cambiando tali spessori è possibile variare il volume della camera di combustione e quindi il rappor-

to di compressione del motore. Il rapporto di compressione effettivo è quindi variabile all'incirca da 6 a 13.

In precedenti ricerche è stata già provata la rea- lizzabilità di tale combustione, al momento per bassi carichi e basse velocità. In tali condizioni un confronto con il motore in configurazione originale ha mostrato la potenzialità di diminuire le emissioni di NOx rispetto allo stesso motore ad accensione comandata e carica stratificata con livelli simili di CO e UHC. Tali primi risultati sperimentali suggeri- scono quindi che ottimizzando maggiormente il motore RCCI sia possibile migliorare ulteriormente tali risultati, e spingono a testare tale motore anche per più alti carichi e regimi.

2 I MODELLI

Per studiare dettagliatamente tale motore è stato approntato un modello CFD,allo scopo di simulare tutti i fenomeni che accadono all'interno del dominio di calcolo durante un ciclo motore. Data l'accu- ratezza richiesta e il numero di fenomeni dei quali si deve tener conto, il tempo di calcolo richiesto può risultare elevato. Per avere informazioni in maniera veloce e per fornire migliori condizioni al contorno per il calcolo CFD è stato realizzato anche un semplice modello 0-dimensionale.

2.1 Modello CFD

Il software utilizzato per costruire e risolvere il modello CFD e FIRE, fornito da AVL. Nell'analisi CFD il volume del fluido all'interno del motore viene discretizzato dando forma a quella che è chiamata griglia di calcolo o mesh. La mesh utilizzata per questo studio è rappresentata in

Fig. 2-1.

Il dominio è quindi formato da:

Inserto alloggia - iniettori rimovibile

Spessore variabile

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 camera di combustione (rosso), la mesh di tale parte contiene all'incirca 60.000 celle con una dimensione media di circa 1,4 mm, garantendo dunque un livello di discretizzazione in linea con studi simili. Tale mesh inoltre è movimentata e ridimensionata durante il calcolo per simulare il movimento del pistone.

 luci di lavaggio o immissione(blu).

 luce di scarico (verde).

 sistema di scarico (viola).

Fig. 2-1 - Dominio di calcolo per l'analisi CFD Questi domini sono collegati tra loro tramite con- nessione denominate arbitrarie, caratteristica pe- culiare del software Fire. Tali connessioni permet- tono di collegare due domini nei quali la topologia della mesh è diversa.

Le approssimazioni maggiori che sono state fatte sono le seguenti:

 non sono stati modellati i segmenti di tenuta e il piccolo volume che si viene a formare tra la parete del cilindro e del pistone.

 non è modellato il carter pompa.

Tale mesh rappresenta il dominio di calcolo nel quale sono principalmente risolte le equazioni della fluidodinamica (equazioni di Navier-Stokes), in questo caso utilizzando la tecnica RANS (Reynolds Averaged Navier-Stokes) che richiede l'utilizzo di appositi modelli per la valutazione della turbolenza.

Per l'analisi di un motore a combustione interna sono necessari anche altri modelli per simulare fenomeni come l'iniezione e la combustione. In Tab.

2-1 sono elencati tutti i sotto-modelli utilizzati in questo studio per l'analisi CFD.

Tipo di modello Modello usato

Turbolenza K-zeta-f

Combustione Meccanismo chimico

Polverizzazione (break-up) KHRT-blob injection

Evaporazione Abramson-Sirignano

Multi-component Collisione e coalescenza

gocce liquide

Nordin

Interazioni con pareti Walljet 1

Tab. 2-1 - Sotto-modelli utilizzati nell'analisi CFD Per la modellazione della combustione è stato scelto di non affidarsi ai modelli presenti in Fire basati su equazioni che descrivono la propagazione della fiamma, ma di accoppiare il calcolo con un solutore di cinetica chimica, Chemkin di Reaction Design, che risolve le equazioni di un meccanismo chimico formato da 45 specie e 142 reazioni. Tali reazioni descrivono la combustione di due idrocar- buri di riferimento, iso-ottano e n-eptano utilizzati comunemente per modellare il comportamento dei ben più complicati benzina e diesel. Tale tipo di approccio alla combustione per via chimica è am- pliamente utilizzato per la modellazione di combustioni innovative, dove il controllo della combustione è delegato alla cinetica chimica di reazione e non al miscelamento e allo sviluppo di fiamme dif- fusive, come nella combustione diesel convenzio- nale, o alla propagazione del fronte di fiamma, come nella combustione progressiva.

Per inizializzare il calcolo CFD è necessario fornire le cosiddette condizioni al contorno. Queste sono le condizioni ai bordi del dominio, determinate da ciò che è esterno al dominio di calcolo. Nel nostro caso sono le temperature di parete, e la pressione

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e temperatura sia per l'ingresso sia per l'uscita del fluido. Tali condizioni possono essere misurate sperimentalmente o ipotizzate sulla base di consi- derazioni fisiche. Nel nostro caso le condizioni all'u- scita del dominio sono quelle misurate sperimentalmente nel collettore di scarico (pressione e temperatura) mentre le condizioni all'ingresso sono la pressione misurata all'interno del carter e una temperatura stimata sulla base di quella misurata sperimentalmente prima della valvola a farfalla. Le temperature di parete sono state ipotizzate secondo valori comunemente utilizzati in letteratura.

La simulazione del ciclo inizia all'apertura della luce di scarico, quindi si procede con la fase di lavaggio, passando per apertura e chiusura delle luci di travaso. In seguito, a luci chiuse, inizia la fase di compressione fino al momento in cui inizia la combustione per auto-accensione e quindi la successiva espansione fino a tornare al punto di partenza. In tale modo se le condizioni iniziali (pressione e temperatura in ogni punto del dominio) sono corrette, già nel primo ciclo si ha il giusto campo di velocità all'interno della camera di combustione (trascuran- do gli effetti dinamici di aspirazione e scarico). Per condizioni iniziali corrette s'intendono condizioni tali per cui alla fine del singolo ciclo tali variabili hanno lo stesso valore impostato arbitrariamente al principio (condizioni stazionarie).

La generazione della mesh e la scelta dei sotto- modelli è stata fatta anche nell'ottica di cercare di contenere i tempi di calcolo. La scelta di modellare la combustione tramite un meccanismo chimico richiede tempi di calcolo maggiore ma è stata det- tata dalla fondamentale importanza che ricopre la chimica in questo tipo di combustione. Il set-up attuale permette di simulare con un PC con 4 CPU un singolo ciclo motore senza combustione in circa 6 ore mentre per un ciclo con combustione e iniezione sono necessarie circa 26 ore.

2.2 Modello 0-D

Come già detto l'analisi CFD richiede condizioni al contorno e condizioni iniziali. Quando queste variabili non sono disponibili da misurazioni sperimentali, è diffuso l'utilizzo di semplici modelli per ipotizzare dei valori di primo tentativo. Per fornire condizioni iniziali in camera di combustione in grado di essere già vicine al valore di convergenza è stato costruito quindi un modello 0-dimensionale.

La struttura di tale modello è rappresentata nello schema a blocchi di Fig. 2-2.

Fig. 2-2 - Schema a blocchi del modello 0-dimensionale La combustione è modellata utilizzando il programma ChemkinPro di Reaction Design, basato sullo stesso meccanismo chimico accoppiato all'a- nalisi CFD. Tale programma simula una combustione HCCI, assumendo una carica completamente omogenea e quiescente, quindi con una grossa approssimazione rispetto alla combustione reale RCCI. Evidenze sperimentali hanno mostrato che la stessa combustione praticata in modalità HCCI o in modalità RCCI fornisce simili fasature di combustione e simili condizioni a fine fase d'espansione, nonostante l'evento della combustione differisca per forma di rilascio del calore.

Gli scambi termici sono messi in conto utilizzando un modello interno basato sulla correlazione di

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Annand, dove le costanti di calibrazione sono state calibrate in maniera tale che il modello di combustione fornisca gli stessi risultati di una simulazione CFD con le stesse condizioni.

Il processo di lavaggio è stato invece modellato utilizzando un modello a due zone frutto di studi precedenti all'University of Wisconsin-Madison.

Tale modello è stato leggermente modificato, ag- giungendovi alcune costanti in grado di calibrare i risultati rispetto una campagna di prove effettuata con il codice di calcolo CFD nel quale sono stati simulati svariati processi di lavaggio.

Entrambi i modelli quindi sono stati calibrati e te- stati nell'ottica di mantenere un errore massimo tra analisi CFD e modello semplificato inferiore al 2%.

infine questi due modelli sono stati inseriti in un programma MatLab. In tale programma vengono per prima cosa impostati parametri come rapporto di compressione, regime del motore, rapporto di equivalenza totale della miscela, rapporto tra massa di gasolio e massa di benzina, e rapporto di lavaggio (apertura della valvola a farfalla).Il programma quindi esegue il modello di combustione che fornisce come risultati la temperatura e la pressione al momento dell'apertura della luce di scarico (TEPO e PEPO), momento del ciclo nel quale iniziano le simulazioni CFD. La temperatura e la composizione dei gas combusti sono utilizzati nel modello di lavaggio (assieme al rapporto di lavaggio) per calcolare la percentuale di gas residui in camera e la temperatura finale della miscela dopo il lavaggio al momento della chiusura della luce di scarico (EGR% e TEPC). È quindi richiamato ancora il modello di combustione e il ciclo riprende fino a che non si arriva a una condizione stazionaria nella quale la temperatura all'inizio della compressione TEPC è uguale (a meno di una tolleranza) alla temperatura all'inizio della compressione del ciclo succes-

sivo (TEPC+1).

La capacità di tale programma di fornire buone condizioni iniziali di temperatura e pressione in camera di combustione per l'analisi CFD è stata quindi testata. Analisi CFD inizializzate con valori ricavati da tale programma mostrano che già dopo solo due cicli le condizioni in camera di combustione raggiungono la convergenza con una variazione tra la temperatura e la pressione a fine fase di e- spansione tra un ciclo e il successivo inferiore all'1.5 %.

L'estrema velocità di calcolo (pochi secondi) è stata sfruttata per eseguire numerosi studi parametrici su diversi punti di lavoro, generando mappe di funzionamento ritenute utili per guidare futuri test sperimentali.

3 RISULTATI

3.1 Validazione motore trascinato

La validazione del motore trascinato è basilare per compiere una prima verifica del corretto funzionamento del modello CFD e per la ricerca del rapporto di compressione. Durante la modellazione del dominio possono venire eliminati piccoli parti- colari che non hanno influenza determinante sulla simulazione ma il cui volume può essere influente per quanto riguarda il rapporto di compressione.

Inizialmente quindi si varia leggermente il rapporto di compressione fintanto che la curva di compressione reale e quella simulata sono vicine. Tale curva di compressione è inoltre influenzata dagli scambi termici, quindi da temperatura di parete e temperature di ingresso dell'aria. Durante tale stadio sono state fatte alcune necessarie ipotesi, di cui è stato inoltre quantificato l'effetto:

 valore della temperatura del fluido in ingresso, la temperatura dell'aria è misurata solo a monte

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della valvola a farfalla. L'ipotesi finale applicata è stata quella di fluido che ha il tempo di scambia- re calore con le pareti del carter-pompa, dato il grande volume di questo rispetto al volume d'a- ria aspirata per ciclo, che in seguito aumenta sua la temperatura seguendo una trasformazione po- litropica quando compressa dal carter-pompa.

Uno studio di sensibilità a questo parametro ha mostrato una variazione di circa il 5% nella massa intrappolata a luci chiuse e del 7% nella portata al motore a fronte di una variazione di circa 40K nella temperatura in ingresso.

 temperatura di parete, in caso di motore trasci- nato è stato scelto di usare la temperatura del li- quido di raffreddamento, che durante tali prove è stato mantenuto alla stessa temperatura delle prove a motore acceso (70 °C).

 effetti dinamici trascurabili, analisi multi-ciclo hanno confermato lo scarso peso degli effetti dinamici validando la pratica (in queste condizioni) di fare analisi singolo ciclo.

In questa applicazione si è ritenuto basilare ottenere una portata d'aria simile tra test e simulazione giacché tale quantità influisce sul rapporto di lavaggio e quindi sul corretto ammontare di gas residui in camera alla fine del lavaggio. La validazione ha riguardato tre casi con differente posizione della valvola a farfalla, andando da posizione chiusa (TP00) fino a posizione totalmente aperta (TP58).

In Fig. 3-1 è possibile apprezzare come la pressione in camera di combustione calcolata (linea continua) sia vicina alla pressione misurata sperimentalmente (linea tratteggiata), per tutti e tre i casi e sia nella fase a luci aperte (in alto) che nella fasi a luci chiuse (in basso). Inoltre in Tab. 2-1 si può notare come portata di aria e pressioni massime siano vicine.

Fig. 3-1 - Comparazione fra pressione in camera di combustione misurata e calcolata, fase di lavaggio (in alto)e fase a luci chiuse (in basso), per diverse posizioni

della valvola a farfalla

TP00 TP28 TP58

EXP CFD EXP CFD EXP CFD PMAX [bar] 26.3 26.3 26.1 26.3 25.6 25.9 Portata [g/s] 3.1 3.1 4.95 5.05 6.73 6.84

Tab. 3-1 - Confronto tra pressione massima e portata calcolata e misurata

Il rapporto di compressione effettivo finale è di 8.9.

3.2 Validazione iniettori

I modelli riguardanti l'iniezione hanno numerosi parametri variabili dall'utente per calibrare il modello rispetto dati sperimentali e riprodurre al me- glio la distribuzione del combustibile in camera di

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combustione. Test sperimentali hanno quindi forni- to le dimensioni geometriche necessarie come diametro dei fori e angoli di spray assieme alla curva di penetrazione e immagini ad alta frequenza. In Fig. 3-2 è raffigurata la comparazione tra la curva di penetrazione (distanza della punta dello spray dal foro di uscita) e i dati misurati al banco prova. In Fig. 3-2 invece si può invece notare come la forma dello spray sia molto simile tra immagini prese al banco e simulazione.

Fig. 3-2 - Curva di penetrazione calcolata (linea) e mi- surata (punti)

Fig. 3-3 - Confronto tra forma dello spray reale (lato de- stro) e dello spray simulato (lato sinistro)

Purtroppo questi dati erano disponibili solo per l'i- niettore responsabile di iniettare la benzina, mentre per l'altro iniettore test non erano ancora disponibili.

Considerando che sono entrambi iniettori per applicazioni GDI si è deciso in prima approssimazione quindi

di usare le stesse costanti di modellazione per entrambi gli iniettori.

3.3 Validazione motore acceso

Per la validazione del motore funzionante si sono scelti due casi con differente istante di iniezione del diesel. Il primo ha un'iniezione molto anticipata 75 gradi prima del PMS (DSOI75) mentre il secondo ha un'iniezione in linea con le tipiche applicazioni RCCI di 40 gradi prima del PMS (DSOI40). In Fig. 3-4 è mostrato il confronto tra pressioni in camera simulate e misurate per entrambi i casi, nei pressi del PMS.

Fig. 3-4 - Pressione in camera di combustione, compa- rativa tra simulazioni (linea continua) e dati sperimentali

(linea a tratti)

I risultati non coincidono perfettamente ma con- siderate le ipotesi effettuate sono sicuramente incoraggianti. La variazione nel comportamento del motore cambiando l'istante delle iniezioni è ben riprodotta dal modello. La combustione simulata poi tende a essere più lenta sia nella fase iniziale sia in quella finale. Le cause possono essere molteplici ma al momento la causa più probabile sembra un'evaporazione minore del combustibile nel caso simulato.

0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1 0

10 20 30 40 50 60 70

EXP 1 EXP 2 Simulation

time (ms)

Penetration (mm)

340 345 350 355 360 365 370 375 380 1000000

1500000 2000000 2500000 3000000 3500000 4000000

CA [deg]

Cylinder Pressure [Pa]

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3.4 Effetto di campo di moto e stratificazione

In questo paragrafo sono mostrate alcune delle potenzialità del modello CFD. In particolare si è sfruttato il modello per valutare l'effetto di campo di moto, stratificazione di temperatura e specie, stratificazione del tipo di combustibile. Sono quindi state confrontate tre simulazioni:

 ideal-HCCI, simulazione di combustione omoge- nea ideale, quindi della sola fase a luci chiuse con inizializzazione delle condizioni in camera di completa omogeneità e quiescenza.

 real-HCCI, simulazione di combustione omoge- nea realistica, con combustibile già premiscelato con l'aria utilizzata per il lavaggio: la fase a luci chiuse inizia quindi con il campo di moto e la stratificazione di specie e temperatura causate dal processo di lavaggio.

 RCCI, è la simulazione utilizzante la doppia inie- zione diretta, si avranno quindi tutti gli effetti della simulazione real-HCCI più la stratificazione di reattività e rapporto di equivalenza causata dalla doppia iniezione diretta.

In Fig. 3-5 è possibile vedere il calore rilasciato i- stantaneamente da queste tre simulazioni.

Fig. 3-5 - Rilascio del calore istantaneo per simulazione a carica omogenea ideale, omogenea realistica e RCCI

La prima cosa che si può notare è come le simulazioni nelle quali avviene il lavaggio siano entrambe anticipate rispetto alla combustione omogenea ideale. Questo poiché il processo di lavaggio in queste condizioni lascia circa il 45% di gas residui in camera. Questi non si miscelano perfettamente con la miscela fresca, ma formano invece alcune zone a temperatura superiore, cosi come raffigura- to in Fig. 3-6.

Fig. 3-6 - Stratificazione di temperatura in camera di combustione alla chiusura della luce di scarico Comparando le simulazioni ideal-HCCI e real-HCCI (dove la differenza sta proprio nei soli effetti causa- ti dal lavaggio) si può notare che tale stratificazione è quindi in grado di anticipare la combustione di una decina di gradi. Ciò nonostante la stratificazione di temperatura crei un picco massimo di soli 40K maggiore della temperatura media in camera (al momento della chiusura delle luci). Le differenze invece tra combustione real-HCCI e RCCI sembre- rebbero quasi trascurabili guardando il grafico di Fig. 3-5. Questo è dovuto in parte al fatto che nella simulazione RCCI si è praticata un'iniezione diesel molto anticipata (75 gradi prima del PMS) che avvi- cina la combustione RCCI a quella HCCI. Se si osser- va all'interno della camera di combustione si vede invece come il processo di combustione sia completamente differente nei due casi. Per evidenziare la combustione localmente si può guardare alla concentrazione del radicale OH, che si forma e si consuma durante la reazione di combustione.

Ideal-HCCI Real-HCCI RCCI

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Fig. 3-7 - Combustione nel caso real-HCCI, le superfici nere rappresentano le zone a maggior concentrazione di

OH

Fig. 3-8 - Combustione nel caso RCCI, in basso a sinistra le zone con elevata concentrazione di n-eptano (verde) e iso-ottano (rosso), nella figura in grande in nero le super- fici a maggior concentrazione di OH indicano la combu-

stione

Nel caso Real-HCCI (Fig. 3-7) la combustione parte nelle zone a temperatura maggiore descritte prima e dovute al processo di lavaggio. Nel caso RCCI (Fig.

3-8) invece la combustione parte nelle zone nelle quali la concentrazione di diesel (modellato come n-eptano) è maggiore, per cui anche la reattività del combustibile è maggiore, cosi come prescritto dal concetto di combustione RCCI.

Questo confronto mette quindi in mostra le pos- sibilità di ottenere una combustione meno improv- visa rispetto a quella omogenea, e come sia la stratificazione di temperatura che la stratificazione di reattività influiscono notevolmente sul processo di combustione.

3.5 Mappe di funzionamento

Come detto il modello 0-dimensionale è stato

sfruttato per eseguire studi parametrici generando le seguenti mappe di funzionamento. In queste sono state evidenziate tre zone:

 di auto-accensione anticipata (rosso)

 di combustione regolare (verde)

 di combustione incompleta o misfire (verde) La prima zona è stata definita sulla base della fasatura della combustione. Se la combustione è troppo anticipata anche utilizzando la strategia RCCI sarà difficile controllare la combustione con l'iniezione e il rilascio del calore sarà probabilmente troppo immediato. La zona di combustione incompleta invece è basata sul rendimento di combustione, quando questo è inferiore all'80% difatti vuole dire che le condizioni in camera di combustione non sono tali da sostenere una combustione otti- male ed efficiente. Nel mezzo quindi si trova la cosiddetta zona di combustione regolare dove si pensa che utilizzando la strategia RCCI sia possibile ridurne la ruvidità utilizzando la stratificazione di reattività. Per dare un esempio di tali mappe di funzionamento in Fig. 3-9 è rappresentato come variano queste zone al variare di rapporto di lavaggio (delivery ratio) e rapporto di equivalenza con rapporto di compressione geometrico 15 e miscela formata da sola benzina (iso-ottano PRF# 100).

Fig. 3-9 - Mappa di funzionamento al variare di rappor- to di equivalenza e di rapporto di lavaggio Si può quindi notare per esempio come con rappor-

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ti di lavaggio troppo alti è difficile avere una combustione completa poiché vengono a mancare i gas residui che con la loro temperatura e il loro conte- nuto di radicali aiutano la combustione. Inoltre muovendosi verso rapporti di equivalenza alti e rapporti di lavaggio bassi si va verso combustioni anticipate. In questo caso dato il basso rapporto di lavaggio vi sono molti gas residui in camera, inoltre questi sono ad alta temperatura a causa dell'eleva- to rapporto di equivalenza. Questo è solo un esempio delle possibili mappe di funzionamento. Sono state studiate tali mappe anche al variare del rapporto tra benzina e diesel (PRF #), del rapporto di compressione e del regime del motore.

4 Conclusioni

Questo studio ha dimostrato la fattibilità e alcune delle potenzialità di set di strumenti di calcolo computazionale applicati ad un motore innovativo.

Riguardo al modello CFD:

 è stato validato nel caso trascinato con ottima approssimazione.

 ha fornito buoni risultati durante la validazione motore acceso, evidenziando però la necessità di avere nuovi dati sperimentali per continuare lo studio e migliorare i risultati sia riguardo la validazione degli iniettori che riguardo le simulazioni motore

 è stato sfruttato per visualizzare i fenomeni flui- dodinamici e di combustione all'interno della camera di combustione.

 ha mostrato una debolezza nella scelta di non modellare il carter-pompa e utilizzare come condizione all'ingresso la pressione misurata nel ba- samento, tale approssimazione è quella che infi- cia maggiormente la predittività del modello a prescindere da dati sperimentali disponibili, e

cause inoltre un'estrema sensibilità della portata di aria a piccole variazioni di condizioni iniziali e al contorno.

Il semplice e veloce modello 0-D ha invece:

 permesso di avere risposte immediate rispar- miando numerose prove CFD.

 fornito efficaci condizioni iniziali in camera di combustione per il calcolo CFD.

 permesso la costruzione di mappe di funzionamento in grado di evidenziare il comportamento del motore al variare di importanti parametri come rapporto di equivalenza, rapporto di lavaggio etc.

Il set di modelli approntato ha quindi dimostrato il potenziale di essere utile per il proseguo delle prove sperimentali su tale motore. Inoltre l'uso intenso di questi modelli ha permesso di eviden- ziarne le criticità e le possibili modifiche per miglio- rarne il funzionamento.