Tesi proposta per il conseguimento del titolo accademico di DOTTORE IN INGEGNERIA MECCANICA presso la Facoltà di Ingegneria della Università degli Studi di Pisa 7 Marzo 2005 Tipo tesi:

SINTESI DI:

Motore quattro tempi A.C. con iniezione diretta “spray guided”: studio CFD di camera di combustione idonea alla stratificazione della carica.

di Ettore Musu

Tesi proposta per il conseguimento del titolo accademico di DOTTORE IN INGEGNERIA MECCANICA

presso la Facoltà di Ingegneria

della

Università degli Studi di Pisa 7 Marzo 2005

Tipo tesi: Lunga, Vecchio Ordinamento

Autore:

Ettore Musu

Approvata da:

Prof. Ing. Roberto Gentili Prof. Ing. Giuseppe Forasassi Ing. Stefania Zanforlin

1. Introduzione

Dopo anni di disinteresse, l’attenzione dei costruttori è tornata verso i sistemi di iniezione diretta di benzina (G.D.I). Questo è legato principalmente ad esigenze di miglioramento delle prestazioni e soprattutto di riduzione dei consumi e delle emissioni inquinanti. Tali riduzioni si accentuano quando si realizza la stratificazione della carica, il che consiste nel concentrare la nuvola di combustibile nella zona della candela. In questo modo è possibile assicurare un’accensione ed una successiva combustione regolari anche in presenza di forti eccessi d’aria. Le soluzioni che si possono adottare per realizzare la stratificazione della carica sono tre: wall-guided, in cui lo spray di benzina viene guidato dalle pareti della camera di combustione; air-guided, in cui viene guidato dai moti dell’aria; spray–air-guided, in cui lo spray si autoguida durante l’iniezione. I primi due sistemi hanno già trovato applicazioni commerciali, mentre il terzo è ancora in fase di studio. Il sistema spray guided rappresenta però il futuro del motore ad iniezione diretta perché l’iniettore che viene utilizzato (di tipo pintle o multiforo) consente di ottenere una rapida evaporazione del combustibile ed una nuvola di benzina stabile e ripetibile al momento dell’accensione, indipendentemente dalla geometria della camera di combustione. In questo lavoro di tesi è stato però dimostrato che con geometrie della camera di combustione tradizionali i moti causati dalla combustione creano uno sparpagliamento della benzina che porta a distruggere la stratificazione che si era creata e quindi a combustioni incomplete, che si traducono in un elevato inquinamento da idrocarburi incombusti. La necessità di mantenere la stratificazione della carica anche in fase di combustione è stata l’idea di base per il disegno di una nuova camera di combustione che, rispetto alle geometrie tradizionali, offre secondo le simulazioni effettuate dei sensibili vantaggi in termini di emissioni inquinanti.

Per poter simulare il processo di formazione della carica e la combustione, in relazione alle diverse geometrie studiate, è stato necessario utilizzare codici di calcolo di fluidodinamica computazionale (CFD) tridimensionale, che costituiscono uno strumento indispensabile per la progettazione di motori di nuova concezione.

2. Definizione del problema affrontato

In questa tesi, mediante tecniche di simulazione CFD, è stato condotto lo studio del processo di formazione della miscela e della combustione, con due tipi di camera di combustione di un motore a 4 valvole da 500 cm3 con sistema di stratificazione spray guided. La ricerca ha avuto come principali obbiettivi:

• La messa a punto di una versione modificata del codice KIVA 3V in modo da renderlo adatto a trattare geometrie di motori con elevato livello di complessità A tal fine è stato sviluppato un inedito algoritmo.

• La simulazione del processo di formazione della carica e della combustione per un motore avente una geometria tradizionale (pistone piatto).

• Il disegno di un nuovo tipo di camera di combustione che permetta di mantenere la stratificazione della carica anche in fase di combustione.

• La simulazione del processo di formazione della carica nella camera di combustione proposta con due diversi tipi di geometrie di condotti di aspirazione e la simulazione della fase di combustione.

3. Descrizione dell’attività svolta

Per comprendere il criterio con cui è stato organizzato il lavoro di simulazione, si può fare riferimento allo schema di figura 1.

Fig.1: schema di lavoro adottato per la simulazione

3.1 Geometria: definizione del modello solido

La geometria di tutti i modelli realizzati è stata costruita tramite il software di modellazione solida Pro-Enginner. Per i modelli più complicati è stato necessario ricorrere all’utilizzo di

feature avanzate tramite la realizzazione di blended surface per la geometria del pistone e del

condotto di aspirazione. Geometria: Pro/Engineer Cond. Iniz.&Cont. AVL BOOST Postprocessore: Open DX Solutore: KIVA3Vr2 Preprocessore: ANSYS ICEM CFD

Fig.2: superficie della testata della Fig.3: superficie del pistone della camera di combustione ideata. camera di combustione ideata.

3.2 Creazione della griglia computazionale.

La griglia computazionale richiesta dal solutore KIVA deve essere di tipo multiblocco strutturata e costituita da soli esaedri; essa è stata realizzata per i vari modelli mediante il software ANSYS ICEM CFD importando le geometrie dal CAD Pro-Engineer. E’ stato analizzato metà motore, essendo la geometria simmetrica e l’iniettore e la candela sul piano di simmetria. Inoltre, essendo interessati solo allo studio delle fasi di aspirazione compressione e combustione, non è stato modellato il condotto di scarico.

Fig.3: geometria tradizionale Fig.4: geometria ideata, con Fig.5: geometria ideata, con con pistone piatto. condotto tradizionale. con condotto rovesciato.

3.3 Il solutore: KIVA 3v

Il codice KIVA è open source. Il codice sorgente, liberamente reperibile in rete, è scritto in Fortran 90 e, potendo essere modificato in tutte le sue routines, offre grandissima flessibilità. Il lavoro svolto sul codice KIVA consiste nella modifica delle routines che provvedono al movimento della griglia. Infatti il dominio di calcolo, in cui devono essere integrate

Zsquish = 7

numericamente le equazioni, cambia continuamente in relazione al movimento del pistone e delle valvole, per cui è necessario aggiornare la posizione dei vertici che stanno all’interno del cilindro; il processo di aggiornamento della griglia prende il nome di rezone.

Sono state apportate diverse modifiche al programma originale, la più importante delle quali riguarda la routine di “rezpent”. Nella routine rezpent sono presenti le leggi di aggiornamento della posizione dei vertici della griglia che si devono muovere; tali vertici sono suddivisi in zone contrassegnate da un identificatore denominato Zsquish e la posizione dei vertici di ogni zona viene calcolata mediante apposite algoritmi.

Fig.6: identificatori delle varie zone della routine rezpent. Fig.7: nomenclatura dei vertici.

Gli algoritmi originali presenti in KIVA funzionano bene con geometrie semplici; quando si trattano invece geometrie complesse, come quelle prese in esame in questo lavoro in cui il pistone presenta un profondo incavo ed una protrusione verticale (figura 3), questi algoritmi cadono in difetto. La regione contrassegnata dall’ identificatore Zsquish=1 (regione cilindro) è quella che presenta maggiori problemi durante il ciclo di calcolo; le coordinate x e z di ogni vertice di tale regione vengono aggiornate iterativamente fino a raggiungere le seguenti condizioni:

[

]

[

]

dove z è la coordinata verticale parallela all’ asse del cilindro, x è la componente longitudinale parallela al piano di simmetria, im, ip, jm, jp, km, kp, sono i vertici che si trovano attorno al generico vertice secondo lo schema di figura 7. Per poter capire per quale motivo gli algoritmi originali non funzionassero e dato che non era disponibile uno strumento che permettesse di

i4

visualizzare la griglia, è stata creata ed implementata in KIVA una nuova subroutine che produce dei file di uscita che costituiscono l’input per il programma ANSYS. La subroutine si chiama “visualizzagriglia” ed è possibile consultarla per intero in appendice della tesi; richiamandola dal main program con la funzione call, è possibile visualizzare la griglia nei tre piani xz, xy, yz, e grazie alle funzioni di ANSYS effettuare ingrandimenti e selezioni che permettono di capire in quale punto della griglia si sono verificate delle inversioni di celle o eccessive distorsioni.

Fig.8: inversione delle celle adottando gli Fig.9: distribuzione delle celle ottenuta algoritmi originali del programma con gli algoritmi implementati.

In breve gli algoritmi originali non potevano funzionare perché, quando il pistone si trova vicino al PMS (figure 8-9), la posizione delle componenti x e z del generico vertice deve dipendere solo dalle componenti dei vertici che si trovano sopra e sotto lungo la direzione verticale, ovvero km e kp. Quando siamo lontani dal PMS e la valvola è molto aperta il numero di celle verticali per unità di lunghezza diminuisce quindi non si manifestavano più i problemi che si avevano vicino al punto morto superiore ma è importante tenere conto anche delle componenti di im, ip, jm, jp per adattare la griglia alla deformazione imposta dal movimento della valvola. Le equazioni che sono state implementate mediante un coefficiente K, che è il rapporto tra l’alzata attuale e quella massima della valvola (3), realizzano quanto detto in precedenza: quando il pistone è vicino al PMS l’alzata è piccola e K è molto vicino a zero, quindi la posizione del generico vertice dipende sostanzialmente dalle componenti di km e kp, mentre quando il pistone scende e l’alzata è vicina a quella massima, il coefficiente K si avvicina ad uno e quindi trasforma gradualmente le (4) e (5) nelle equazioni originali (1) e (2).

) 2 max( ) 2 ( Vlift Vliftnow K = (3)

{

K

[

z(im)

z(ip)

z(jm)

z(jp)

]

z(km)

z(kp

)

}

K

zn

∗

∗

+

+

+

+

+

∗

+

=

4

2

1

{

K

[

x(jm)

x(jp)

(x(im)

x(jp))

]

x(km)

x(kp)

}

K

xn

∗

∗

+

+

∗

+

+

+

∗

+

=

2

6

2

1

Grazie all’implementazione delle sopra riportate equazioni è stato possibile mantenere una griglia di calcolo di buona qualità per tutto il ciclo di calcolo come viene mostrato nelle figure 10-15.

Fig.10: visualizzazione della griglia del piano Fig.11: visualizzazione della griglia del piano passante di simmetria al PMS con ANSYS. per la mezzeria della valvola al PMS con ANSYS.

Fig.12: visualizzazione della griglia del piano di Fig.13: visualizzazione della griglia del piano passante per simmetria 45° dopo il PMS con ANSYS. la mezzeria della valvola 45° dopo il PMS con ANSYS.

Fig.14: visualizzazione della griglia del piano di Fig.15: visualizzazione della griglia del piano passante per simmetria 270° dopo il PMS con ANSYS. la mezzeria della valvola 270° dopo il PMS con ANSYS.

3.4 Condizioni Iniziali e al contorno

Le condizioni al contorno, da imporre nella simulazione, derivano in parte dalla letteratura ed in parte sono stati utilizzati i dati di una tesi precedente svolta nel dipartimento di energetica dell’università di Pisa con il codice monodimensionale AVL BOOST.

4. Risultati ottenuti

Per brevità si riportano soltanto i risultati più significativi, relativi alle prove effettuate ad un terzo del carico a 2000 giri al minuto condizioni in cui è più importante garantire una stratificazione stabile sia in fase di compressione sia in fase di combustione. Si rimanda ai capitoli della tesi per le altre prove ed approfondimenti.

4.1 Analisi del processo di formazione della carica.

Sia con una geometria semplice che con la geometria ideata in questo studio è possibile ottenere una stratificazione della carica stabile e quindi una buona accensione (figure 16-19, il rapporto di equivalenza è il rapporto tra la concentrazione locale aria/benzina e quella stechiometrica) . Con il pistone piatto è necessario porre la candela in posizione decentrata per ottenere tra gli elettrodi della candela una composizione della miscela stechiometrica o leggermente ricca.

Con la geometria ideata la candela può essere collocata sull’asse di simmetria, ovvero nella zona che garantisce il percorso del fronte di fiamma minore e quindi una combustione più rapida ed efficiente.

Fig.16: mappa del rapporto di equivalenza della Fig.17: mappa del rapporto di equivalenza della geometria con pistone piatto a 15° prima del PMS. geometria con pistone piatto a 15° prima del PMS.

Fig.18: mappa del rapporto di equivalenza della Fig.19: mappa del rapporto di equivalenza della geometria ideata a 15° prima del PMS. geometria ideata a 15° prima del PMS.

Scintilla

Fig.20: campo di moto per la geometria con pistone Fig.21: campo di moto per la geometria ideata sul piano piatto sul piano di simmetria a 15°prima del PMS. di simmetria a 15°prima del PMS

Inoltre il campo di moto che si genera con il condotto rovesciato crea, grazie alla geometria del pistone, un effetto di trasporto della benzina verso la candela ed una migliore evaporazione del combustibile.

4.2 Risultati delle prove di combustione

Durante la fase di combustione è stato osservato che la geometria con il pistone piatto non mantiene la stratificazione, che si era creata durante la fase di compressione; in particolare l’espansione dei gas, a seguito della propagazione del fronte di fiamma, provoca uno sparpagliamento in tutta la camera della benzina e di conseguenza una combustione lenta ed incompleta. Si noti a tal proposito nelle figure 22 e 23 l’elevata quantità di benzina non ancora bruciata dopo 40 gradi dall’inizio della combustione.

Fig.22: concentrazione di combustibile per la geometria Fig.23: concentrazione di combustibile per la geometria con pistone piatto 30°dopo il PMS . con pistone piatto 30°dopo il PMS.

Fig.24: concentrazione di combustibile per la geometria Fig.25: concentrazione di combustibile per la geometria ideata 30°dopo il PMS . ideata 30°dopo il PMS.

Fig.26: Mappa della temperatura Fig.27: Mappa della temperatura Fig.28: Mappa della temperatura 5°prima del PMS al PMS. 5°dopo il PMS.

Fig.29: Mappa della temperatura Fig.30: Mappa della temperatura Fig.31: Mappa della temperatura 10° dopo il PMS 15° dopo il PMS. 30° dopo il PMS.

La geometria ideata in questa tesi permette, grazie al particolare disegno della camera, di confinare durante la combustione la benzina all’interno dell’ incavo ricavato sul pistone. In questo modo il fronte di fiamma dovrà percorrere un tragitto più breve per incontrare tutta la benzina (figure 26-31). Inoltre, essendo il combustibile concentrato in un volume minore, il rapporto aria/benzina sarà mediamente più alto, aumentando così la velocità di combustione e diminuendo il rischio di estinzione della stessa.

E’ necessario sottolineare che le simulazioni della combustione sono in grado di fornire dei risultati attendibili solo dal punto di vista qualitativo, perché vi sono delle incertezze significative sui parametri che devono essere impostati. Per ottenere risultati il più accurati possibile, i parametri che determinano la cinetica chimica della combustione sono stati settati simulando le stesse condizioni di prove sperimentali di motori simili di cui si avevano a disposizione i dati. In particolare i parametri in questione sono stati ricavati simulando una prova a pieno carico a carica omogenea allo stesso regime di rotazione e tarandoli in modo tale da ottenere la stessa durata, in termini di ampiezza angolare, di quella ricavata sperimentalmente. Con gli stessi parametri si sono poi effettuate le prove di combustione con carica stratificata. A parità di parametri, si ottiene con la camera di combustione ideata una riduzione di inquinamento dovuto ad idrocarburi incombusti di oltre il 50% rispetto alla geometria tradizionale con il pistone piatto (figure 22-25). Non si hanno garanzie che i dati numerici ottenuti mediante le simulazioni possano considerarsi veritieri in termini assoluti, quindi sarà necessario validare questi risultati sperimentalmente, ma è plausibile supporre, avendo fatto un confronto nelle stesse condizioni e con gli stessi parametri, che in termini relativi si possano ottenere nella realtà pressoché gli stessi risultati .

5. Conclusioni

Per mezzo di simulazioni CFD è stato analizzato il processo di formazione della carica e la combustione per geometrie di motori con sistema di stratificazione “spray guided”. In primo luogo è stata analizzata una geometria tradizionale con pistone piatto. Successivamente per migliorare il comportamento in fase di combustione è stato disegnato un nuovo tipo di camera di combustione che permettesse anche durante questa fase il confinamento della carica. Dalle simulazioni effettuate è emersa una netta superiorità della geometria ideata rispetto a quella con pistone piatto. E’ stato quindi dimostrato che risulta necessario abbinare al sistema di stratificazione “spray-guided” anche una geometria della camera di combustione opportuna appositamente studiata, ed in particolare quella proposta in questo lavoro risulta essere, secondo le simulazioni, idonea.