CAPITOLO 1 - L’iniezione nei motori a.c. ...……….10

Indice

Sommario ………..7

Presentazione di Siemens VDO ………8

CAPITOLO 1 - L’iniezione nei motori a.c. ...……….10

1.1 Dagli albori ad oggi ………..………10

1.2 Confronto tra iniezione diretta ed indiretta ………12

1.3 La stratificazione della carica ………15

1.4 Modalità di funzionamento del motore GDI………..17

CAPITOLO 2 - Sistemi di iniezione nei motori GDI ………18

2.1 Metodi per realizzare la stratificazione della carica ………..18

2.1.1 I sistemi wall-guided ………...18

2.1.2 I sistemi air-guided ……….21

2.1.3 I sistemi spray-guided ……….21

2.2 Iniettori per sistemi GDI ………22

2.2.1 Iniettore swirl ……….22

2.2.2 Iniettore pintle ………24

2.2.3 Iniettore multiforo ………..26

2.3 Impianto GDI ……….27

2.3.1 Valvola EGR ………..27

2.3.2 I catalizzatori De-NO

e NO

Storage Catalyst ………..30

2.3.3 Valvola a farfalla servo assistita ………33

2.3.4 Pompa ad alta pressione……….34

2.3.5 Sonda lambda proporzionale ……….34

2.4 Motori GDI ………35

2.4.1 Mitsubishi GDI………35

2.4.2 GDI Gruppo PSA ………37

2.4.3 GDI Renault ………37

2.4.4 Alfa Romeo JTS ………..39

2.4.5 Toyota GDI ……….40

2.4.6 Volkswagen-Audi FSI ……….42

CAPITOLO 3 - Teoria di base della CFD ……….46

3.1 Generalità ………..46

3.2 Conservazione della massa ………48

3.3 Derivata materiale ………48

3.4 Forme conservative e forme non conservative ……….50

3.5 Equazione della quantità di moto ………..51

3.6 Equazione di continuità dell’energia ……….53

3.6.1 Lavoro ……….53

3.6.2 Calore ……….53

3.6.3 Equazione generale dell’energia ………54

3.6.4 Equazione dell’energia cinetica ……….55

3.6.5 Equazione dell’energia interna ………..55

3.6.6 Altre forme dell’ equazione dell’energia ………56

3.7 Equazione di stato ………..56

3.7.1 Ipotesi dell’equilibrio locale ………..56

3.7.2 Esempi di equazioni di stato ………..57

3.8 Equazioni di Navier-Stokes per fluidi newtoniani ……….57

3.9 Sistema di Navier-Stokes ………..59

3.10 Integrazione sul CV ……….60

3.11 Classificazione dell’ambiente fisico ………61

3.11.1 Problemi di equilibrio ………...61

3.11.2 Problemi di avanzamento o propagazione ………...62

3.11.3 Condizioni iniziali e al contorno ………..62

3.12 La turbolenza ………...64

3.12.1 Cos’è la turbolenza ………..64

3.12.2 Interazioni dei vortici………65

3.12.3 Zona di transizione da moto laminare a turbolento ………66

3.13 Effetti della turbolenza sulle equazione di Navier-Stokes ………...66

3.14 Equazioni di Reynolds ……….68

3.15 Sistema RANS ………..70

3.16 Modelli di turbolenza ………...71

3.17 Modello k-ε ………..74

3.17.1 Equazione effettiva dell’energia cinetica media K ………...75

3.17.2 Equazione effettiva dell’energia cinetica turbolenta k ………76

3.17.3 Le equazioni del modello k- ε ………76

3.17.4 Condizioni al contorno ……….78

3.17.5 Wall functions nel modello k- ε ……….79

3.17.6 Valutazione delle prestazioni del modello k- ε ……….80

3.18 Complementi ………81

3.18.1 Discretizzazione ………81

3.18.2 Modelli multifase ………..81

CAPITOLO 4 - I software usati ……….83

4.1 ICEMCFD 10.0 ……….83

4.2 Paraview ………87

4.3 OpenFOAM ………...89

4.3.1 Caratteristiche ………89

4.3.2 Descrizione generale ………..90

4.3.3 Aspetti analizzati ……….95

CAPITOLO 5 - Metodologia d’indagine ………..96

5.1 Il concetto di validazione ………..96

5.2 Prove di misura sugli iniettori ………96

5.3 Requisiti per la validazione di OpenFOAM ………..98

5.4 Ipotesi di base ………98

5.4.1 Ipotesi nel campo delle basse pressioni ………..99

5.4.2 Ipotesi nel campo delle alte pressioni……….99

5.5 Casi esaminati ……….101

5.5.1 Caso a bassa pressione ……….101

5.5.2 Caso ad alta pressione ………..101

5.6 Caratteristiche fisiche dei fluidi ………..103

CAPITOLO 6 - Caso a bassa pressione ………..104

6.1 La mesh ………104

6.2 Condizioni al contorno ………106

6.2.1 Condizioni a parete ...106

6.2.2 Condizioni all’inlet ………...106

6.2.3 Condizioni all’outlet ……….107

6.2.4 Condizioni di simmetria ………107

6.3 Fattori di sottorilassamento ………..107

6.4 Tolleranze del solver ………108

6.5 Schema di calcolo utilizzato ………108

6.6 Risultati numerici ……….109

6.6.1 Confronto con i campi ottenuti con STAR-CD ……….110

6.7 Controllo della convergenza ………113

6.8 Confronto con i dati sperimentali ………114

6.9 Comportamento del software ………...115

CAPITOLO 7 - Caso ad alta pressione: analisi monofluido………...116

7.1 La mesh ………116

7.2 Condizioni al contorno ………119

7.2.1 Condizioni all’inlet ………...119

7.2.2 Condizioni all’outlet ……….119

7.3 Fattori di sottorilassamento ……….120

7.4 Tolleranze del solver e schema di calcolo ………...120

7.5 Risultati numerici ………120

7.6 Controllo della convergenza ………122

7.7 Comportamento del software ………...124

CAPITOLO 8 - Caso ad alta pressione: analisi multifluido ………...125

8.1 La mesh ………125

8.1.1 Mesh a bassa risoluzione ……….125

8.1.2 Mesh fine ………..126

8.1.3 Mesh finale ………129

8.1.4 Mesh usate con FIRE ………133

8.2 Condizioni al contorno ………134

8.2.1 Condizioni all’inlet ………...135

8.2.2 Condizioni all’outlet ……….135

8.3 Condizioni iniziali nel dominio ………...135

8.4 Parametri del calcolo………137

8.4.1 Tolleranze del solver ………137

8.4.2 Numero di iterazioni ……….137

8.4.3 Schema di calcolo ……….138

8.4.4 Discretizzazione temporale ………...138

8.5 Risultati numerici ……….139

8.5.1 Confronto del campo di pressione ………140

8.5.2 Confronto del campo di velocità ………...142

8.5.3 Confronto della frazione di volume ………..144

8.5.4 Confronto delle superfici a 3000 Pa ………146

8.5.5 Confronto dell’andamento dello spray ……….148

8.6 Controllo della convergenza ………149

8.7 Confronto con i risultati sperimentali ………..151

8.8 Comportamento del software ………..153

Conclusioni………154

Bibliografia ………..……….156

APPENDICE – GNU general public license ………...161

Ringraziamenti………...………..169