Studio della camera di combustione di un motore a doppia iniezione

Transcript

1 ALMA MATER STUDIORUM - UNIVERSITA DEGLI STUDI DI BOLOGNA FACOLTA DI INGEGNERIA CORSO DI LAUREA IN INGEGNERIA MECCANICA Studio della camera di combustione di un motore a doppia iniezione Tesi di laurea di: Andrea Borromei Colozzi Relatore: Prof.Ing.Luca Piancastelli

2 MOTIVAZIONI DELLO STUDIO Analizzare come le variazioni nella geometria della camera di combustione influenzano le prestazioni in termini di consumo specifico ed emissioni inquinanti ( utilizzando il software commerciale gratuito Diesel-RK ).

3 Motore VD007 Motore Diesel Common-Rail di ultima generazione con le seguenti specifiche tecniche: Cilindrata Totale cm³ Rapp. di compressione 15,5:1 Numero giri a regime 3800 rpm

4 Caratteristiche della sovralimentazione Il compressore è composto da sei stadi a flusso assiale e da uno stadio a flusso centrifugo, il rapporto di compressione del gruppo di sovralimentazione complessivo è di 6,2:1. La parte motrice di autosostentamento si compone invece di due stadi di turbina assiale che trascinano il compressore e sono pertanto calettati sullo stesso albero.

5 Le camere di combustione Le due camere sono posizionate parallelamente all asse dello spinotto per contrastare gli sbilanciamenti durante la combustione ( peraltro limitati ). La doppia combustione permette di elevare i parametri di sicurezza in quanto in caso di guasto di un impianto di iniezione, rimane in funzione il secondo che risulta indipendente dal primo. Questa soluzione permette di lavorare a carichi parziali con ottima permeabilità.

6 Disposizione degli iniettori si è optato per un montaggio alla periferia del cielo del pistone, con inclinazione sia sul piano longitudinale che su quello trasversale. Tale disposizione permette di avere l estremità dell iniettore centrata con la rispettiva camera di combustione, migliorando il processo di riempimento di quest ultima.

7 Diesel-RK è un software termodinamico: i cilindri del motore sono considerati come sistemi termodinamici aperti. Le caratteristiche principali del programma Diesel-rk sono simili ai programmi conosciuti, quali: ONDA, GT-Alimentazione e SPINTA. Tuttavia, insieme alle potenzialità convenzionali, il programma Diesel-rk ha nuove caratteristiche avanzate quali: La visualizzazione del getto di combustibile; L ottimizzazione multiparametrica della configurazione del motore; Procedure di esame 1D e 2D; La previsione dell emissione ossidi di azoto.

8 è progettato per la simulazione e l'ottimizzazione dei motori a combustione interna a due/quattro tempi. Il programma simula la formazione della miscela e la combustione considerando: la figura della camera di combustione; l intensità del vortice; la posizione dell iniettore; il numero, il diametro e l orientamento degli ugelli dell iniettore; il profilo dell'iniezione, compreso l'iniezione frazionata; l interazione dei getti con le pareti della camera di combustione. Il Software Diesel-RK

9 Simulazioni Sono state effettuate 3 simulazioni per determinare la miglior configurazione del motore in termini di potenza e consumi specifici: Motore aspirato (solo per verifica utilizzo software); Motore sovralimentato; Ricerca configurazione ottimale. Sono state analizzate due diverse geometrie della camera di combustione: soluzione di tentativo 1; soluzione di tentativo 2.

10 Parametri Generali Le simulazioni sono state effettuate considerando metà area utile e un unico iniettore con sistema common rail. Configurazione del motore ridotto: Alesaggio ( metà area utile ) 100 mm; Corsa 108 mm; N di cilindri 12 a V ( 2 valvole per cilindro) Cilindrata 9500 cm³; Sovralimentazione ( compressore - intercooler - turbina assiale ) Giri a regime 3800 rpm Rapporto di compressione 15,5:1

11 Caratteristiche dell iniezione Numero fori iniettore 6 Diametro fori iniettore ( mm ) 0,153 Sporgenza punta iniettore rispetto al piano di testa ( mm ) 3,1 L uso di fori dell ugello di piccole dimensioni assicura una profondità di penetrazione dello spray più uniforme.

12 Simulazione con sovralimentazione Camera di combustione del progetto dell Ing. Vangelisti. La pressione nel cilindro supera il massimo consentito dal progetto dell Ing. Vangelisti (la pressione massima consentita è 170 bar ).

13 Ricerca della configurazione ottimale Tramite prove iterative rispetto alla soluzione del motore sovralimentato, tenendo conto del massimo valore ammissibile per la pressione, si sono ottenuti i seguenti risultati :

14 Scelta della camera di combustione Per ottenere una buona formazione della miscela,con combustione veloce e basso livello di consumo specifico del combustibile ogni getto deve essere diretto in modo che la quantità di combustibile massima sia assegnata nelle zone con buona evaporazione. La condizione necessaria e sufficiente è l atomizzazione del combustibile ( ottenere gocce di piccolo diametro ).

15 Soluzione di tentativo 1 Tra le varie tipologie di camera di combustione che il software prevede I risultati mostrano valori accettabili per quanto riguarda: in libreria, sono state scelte le due configurazioni più usate. Per Potenza utile ( 155 kw ); entrambe è stato utilizzato lo stesso profilo di iniezione e il grado di Evaporazione e diffusione dei getti; vorticosità Buona combustione dell aria; infine della miscela si è scelta aria-combustibile; la soluzione che garantisce la Pressione massima nel cilindro. miglior combustione. In questa simulazione si è usata la seguente camera di combustione.

16 Soluzione di tentativo 2 I risultati, confrontati con la soluzione di tentativo 1 mostrano : In questa simulazione si è usata la seguente camera di combustione. Diminuzione della potenza utile ( 111 kw); Aumento del consumo specifico ( 0,42 kg / kwh ); Valore accettabile della pressione nella camera di combustione; Aumento degli NOx ( 42,5 ppm ). Questa geometria differisce dalla precedente per: Raccordo centrale Raccordo naso-lembo centrale Incavo tra naso e cielo del pistone

17 La soluzione di tentativo 1 (C.C. 1) risulta essere la migliore, considerando: Conclusioni Potenza utile; Emissioni di NOx; Consumo specifico; Diametro delle gocce; Evaporazione e diffusione del getto. 180 Dilut. OS 6, ,8 S.Core 4, ,4 8 7,6 7,2 80 3,2 2,8 Piston 60 2, ,8 5,6 5,2 3,6 1,6 Interest. 1,2 0, ,4 0 Frazione di Fuel % Parametri ecologici Performance pmax ( bar ) Putile ( kw ) NOX ( ppm ) SFC PM N d_32 Dilut. OS C.C. 1 Interest. ( kg/kwh 155 ) Piston ( ppm ) 155 ( g/kwh S.Core ) ( micron 39,9 ) C.C. C.C1 1 0,4 2 0, , ,76 0,27 7,93 99,34 42,6 C.C C.C ,42 1,35 0,04 2,54 0,15 8,02 98,5 C.C1 C.C 2 C.C 1 C.C 2 C.C. 1 C.C. 2

18 ALMA MATER STUDIORUM - UNIVERSITA DEGLI STUDI DI BOLOGNA FACOLTA DI INGEGNERIA CORSO DI LAUREA IN INGEGNERIA MECCANICA Studio della camera di combustione di un motore a doppia iniezione Tesi di laurea di: Andrea Borromei Colozzi Relatore: Prof. Ing. Luca Piancastelli