CAPITOLO 7

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CAPITOLO 7 – Conclusioni e possibili sviluppi futuri

CAPITOLO 7

Conclusioni e possibili sviluppi futuri

Questa tesi è il prosieguo dello studio, mediante tecniche di simulazione CFD, del processo di stratificazione spray-guided della carica in un motore quattro tempi ad accensione comandata con cilindrata unitaria di 500 cm3, iniziato in una tesi precedente. La ricerca ha avuto come principali obbiettivi:

• La messa a punto di un modello fluidodinamico monodimensionale tramite AVL BOOST

di un motore quattro cilindri di 2000 cm3 per ricavare le condizioni al contorno da

utilizzare nelle simulazioni effettuate mediante i codici AVL FIRE v8.31 e KIVA 3v • La simulazione del processo di formazione della carica mediante codice KIVA ed il

confronto dei risultati con quelli ottenuti nella tesi precedente

• La simulazione del processo di formazione della carica mediante codice AVL FIRE ed il confronto dei risultati con quelli ottenuti mediante il codice KIVA

Nelle simulazioni effettuate con KIVA sono stati utilizzati lo stesso modello geometrico, la stessa mesh, lo stesso combustibile (benzina), lo stesso diametro delle gocce dello spray e la stessa pressione di iniezione (110 bar) della tesi precedente per poter confrontare i risultati e verificare l’influenza delle condizioni al contorno sul funzionamento del motore. Comparando i risultati delle simulazioni della 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.

Per validare i risultati ottenuti con KIVA, sono state ripetute le simulazioni utilizzando il codice AVL FIRE v8.31. Sono stati confrontati i risultati relativi sia al campo di moto sia al rapporto di equivalenza e sono state riscontrate delle differenze. Quelle relative al campo di moto sono da attribuirsi al diverso numero di celle utilizzato nelle due griglie; lo conferma il fatto che tali differenze divengono evidenti quando lo stantuffo scende verso il PMI, posizione in cui è massima la differenza fra il numero di celle (al PMS il numero di celle quasi si equivale). Anche i risultati relativi al rapporto di equivalenza presentano delle differenze. Poiché il campo di moto nell’istante di iniezione è sostanzialmente identico in entrambi i casi, dopo un’attenta analisi si è giunti alla conclusione che la differenza nei risultati sia dovuta ai seguenti fattori:

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• mentre nel KIVA il diametro delle gocce all’uscita dell’iniettore è costante, nel FIRE è stato possibile assegnare a tale diametro l’andamento di una variabile che segue la legge di Gauss

• il processo di evaporazione nel KIVA è decisamente più rapido di quello del FIRE; questo può essere dovuto sia alla differenza di volatilità delle benzine (nel FIRE la benzina evapora con la stessa velocità dell’n-eptano, mentre nel KIVA la velocità è maggiore), sia a differenti modelli di evaporazione.

• La mesh utilizzata nelle simulazioni effettuate mediante il KIVA è costituita da un numero di celle decisamente inferiore rispetto a quella creata con il FIRE

Per rendere confrontabili i risultati ottenuti con i due codici, sono state ripetute le simulazioni a 2000 giri/min utilizzando come combustibile l’n-eptano in entrambi i casi e gocce dal diametro costante anche nel caso del FIRE. Non è stato invece possibile utilizzare griglie con un numero di celle equivalente in quanto nel caso del FIRE risulta difficile rappresentare correttamente questa geometria con un numero limitato di celle, mentre nel caso del KIVA, essendo la griglia strutturata, risulta molto difficile modificare la griglia stessa data la complessità della geometria. Le differenze si sono ridotte di molto, ma non annullate. Poiché in questo caso i processi di evaporazione e breakup delle gocce di combustibile sostanzialmente coincidono, la diversità dei risultati si può attribuire al diverso numero di celle delle mesh.

Nonostante questa piccola differenza, la validazione del modello può essere considerata raggiunta.

Si è infine verificato il funzionamento del motore anche nel caso di pressione di iniezione di 200 bar, valore dei sistemi di iniezione attualmente in fase di studio.

Dai risultati di queste simulazioni risulta che, grazie alla maggiore pressione di iniezione rispetto al caso precedente, la nebulizzazione dello spray è maggiore; questo permette di ottenere una più rapida evaporazione del combustibile e di conseguenza un maggiore tempo a disposizione del vapore di benzina per diffondersi, con notevoli vantaggi in termini di emissioni inquinanti. E’ necessario sottolineare che le simulazioni CFD, specialmente in campo motoristico, sono in grado di fornire risultati attendibili solo dal punto di vista qualitativo e non possono sostituire le prove sperimentali. Tuttavia il lavoro svolto in questa tesi conferma la robustezza della soluzione adottata per la geometria della camera di combustione. Infatti i risultati delle simulazioni dimostrano che è possibile ottenere sia una stratificazione della carica stabile e ripetibile, sia il confinamento della stessa in fase di combustione al variare delle condizioni al contorno, delle

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condizioni iniziali, del tipo di combustibile, delle caratteristiche dello spray e della griglia di calcolo.

Questo studio non conclude la ricerca ma conferma la validità della soluzione ideata; ulteriori investigazioni numeriche dovranno essere effettuate in parallelo con le prove sperimentali. Allo stato attuale è infatti possibile definire una prima geometria della camera di combustione di un prototipo da testare sperimentalmente. Con i dati provenienti dalla sperimentazione sarà possibile ottimizzare il disegno della camera di combustione mediante nuove prove CFD.