Capitolo 2 Esercitazioni condotte con Star-CD

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1 Capitolo 2 Esercitazioni condotte con Star-CD 2.1 Bomba Calorimetrica - Preprocessing Grazie a Star-CD è possibile effettuare una simulazione di iniezione sfruttando una bomba calorimetrica, ovvero una geometria opportunamente meshata, definita con un fluido di apposite caratteristiche che simula le condizioni del cilindro al momento dell iniezione. Definendo la geometria dei fori dell iniettore, la legge d alzata, e tutte le caratteristiche necessarie per i fluidi in gioco, è possibile simulare come si comporta lo spray nel cilindro. Il software utilizzato risulta essere prostar : in realtà esisterebbe una versione più recente ed aggiornata della stessa famiglia in grado anche di generare mesh automatiche, ma data la semplicità delle geometrie interessate dal nostro caso, la cosa non è molto importante. Come in ogni programma CFD di simulazione, il processo si compone sostanzialmente di vari step successivi: sarà quindi eseguita una parte di preparazione del modello, con definizione della geometria, della mesh, delle boundaries, ecc, una parte d analisi nella quale il software eseguirà i calcoli opportuni, ed una parte di postprocessing nella quale verranno analizzati e discussi i risultati ottenuti. La prima cosa da fare riguarda quindi la definizione della geometria: in particolare, dovendo creare un cilindro, si sarebbe portati a generare una mesh del tipo polare d esaedri, ma il problema in questo caso è quello per cui, mano a mano che ci si avvicina al centro, le celle diventano via via più distorte, per finire nel centro con celle a base triangolare di qualità molto scadente, e la cosa non è naturalmente conveniente dato che proprio in questa zona dovrà essere posizionato l iniettore. È quindi molto più conveniente sfruttare una geometria del tipo butterfly che prevede un cilindro esterno contenente al suo interno un parallelepipedo: in questo modo la zona centrale presenta celle esaedriche molto più regolari, con notevoli vantaggi in termini di gestione del calcolo e dei risultati.

2 Generiamo quindi questo tipo di mesh sfruttando il modello di geometria macro-2d fornito ed estrudendola poi della lunghezza indicata per il cilindro in esame, nel nostro caso pari a 60mm divisi in 30 celle. Puntualizziamo fin da subito il fatto per cui, nonostante il cilindro abbia una corsa ben definita, per quanto riguarda la nostra simulazione è sufficiente generare una meshatura che interessa la sola parte alta del cilindro, tralasciando la geometria nella parte bassa: questo ci permette di semplificare il modello, ma soprattutto di ridurre notevolmente il numero di celle tralasciando quelle che non sarebbero interessate dalla simulazione, per poter creare invece celle molto più piccole nella parte importante della geometria. Le caratteristiche scelte per la geomertria e la mesh sono quindi: Alesaggio di 120 mm Altezza di 30 mm Dimensione caratteristica delle celle sull alesaggio: 1 mm Dimensione caratteristica delle celle sull altezza: 1 mm L altezza del cilindro viene naturalmente realizzata estrudenoo la geometria piana per un numero di volte pari al numero di celle scelte. Per terminare la mesh, dato che la geometria creata si basava su celle del tipo shell, è necessario cancellare questo tipo di celle e mantenere solo quelle di tipo fluido, necessarie per poter condurre la simulazione.

3 A questo punto possiamo definire i sistemi di riferimento per il posizionamento dei fori dell iniettore. Nel caso in esame, l iniettore è del tipo a sei fori posizionati secondo un opportuno angolo solido, per cui occorre definire i sei sistemi di riferimento locali basati sul sistema di riferimento cartesiano globale posizionandoli nei punti ove cadranno i singoli fori e orientandoli in modo concorde rispetto alla direzione di entrata dello spray nel cilindro. Questo permetterà di definire in modo opportuno i punti d iniezione. Nel caso in esame i sistemi di coordinate vengono definiti basandosi sui dati forniti, riferiti ad un iniettore del tipo Common Rail MultiJet di Seconda Generazione. Passo successivo è la definizione del modello di calcolo. In particolare si sceglie un analisi del tipo Transitoria e Lagrangiana Multifase per la presenza contemporanea del gas nel cilindro e del liquido iniettato. Per quanto riguarda la dipendenza del tempo, definiamo, come da dati forniti, una simulazione a carico parziale (25%) ad un regime del motore pari a 2000RPM. Occorre anche definire le caratteristiche termofisiche dello spray impostando i parametri fisici e chimici dello stesso: per fare questo, ci avvaliamo del database presente nel software, scegliendo come liquido iniettato l eptano C7H16 modificando la densità in 820 kg/m 3. Le caratteristiche termofisiche risultano quindi: LIQUID & GASES Gas -> SF6

4 Density -> Ideal Turbolence -> ON (modello K-ε RNG) Thermal -> ON Initialization -> Pressure = 0 Pa relativi, Temperature = 293 K ADDITIONAL SCALAR Definiamo il C7H17 (v) come fluido in cui evapora il C6H17 (L) Altro passo da compiere è la definizione del Modello Multifase Lagrangiano: questo è fondamentale per far capire al software come gestire lo spray d iniezione e come modellare le singole gocce presenti nella realtà. In particolare, un approccio del tipo Lagrangiano prevede la risoluzione separata delle equazioni riferite al gas e di quelle riferite al liquido, per poi unirle successivamente. Come ulteriore semplificazione, inoltre, il programma non tratta le singole gocce in modo singolo ed individuale, ma si avvale di opportune entità dette PARCELS, ovvero sfere aventi caratteristiche note che contengono le vere e proprie gocce, dette DROPLETS. Le caratteristiche fisiche d ogni Parcel sono così definite in funzione delle caratteristiche fisiche delle Droplets contenute. L approccio Lagrangiano risulta conveniente in questo caso rispetto a quello Euleriano, in quanto pur consentendo una maggior leggerezza della simulazione, consente di ottenere risultati comunque attendibili dal punto di vista ingegneristico. Tutti i fenomeni d atomizzazione sfruttano naturalmente appositi modelli di Break-up, basati a loro volta su differenti principi fisici più o meno complessi. Per la simulazione in esame scegliamo: DROPLETS CONTROLS Interpolation Method -> Use Vertex Data Maximum Number of Parcels -> (dato riferito alla memoria da utilizzare) Spray Injection with Atomisation DROPLET PHYSICAL MODELS Turbolent dispersion -> ON Gravity -> ON Collision -> OFF Droplet Physical -> Standard (gestisce le equazioni) Droplet Break Up -> Reitz (Gestisce il modello d atomizzazione) Wall Interact -> Rebound (anche se non si ha interazione perché lo spray non arriva a parete) Modello fisico del liquido iniettato -> Heptane (L) [evapora in Heptane (v)]

5 SPRAY INJECTION Domain -> 3D Atomisation Model -> Huh Numero Fori = 6 Diametro = 153 µm Nozzle L/D = 6 Nozzle CD = 0.8 Contraction = 0.7 Roughness = 1.e-6 Fuel Temperature = 350 K A questo punto è necessario definire la legge d alzata dell iniettore: per fare questo inseriamo la postata in massa [kg/s] relativa al funzionamento a carico parziale (25%) a 2000RPM mediante una curva definita rispetto all angolo motore, per comunicare al software come si sviluppa l iniezione nel tempo. La tabella è del tipo rappresentato in figura: ANGOLO MOTORE PORTATA ISTANTANEA [kg/s] Possiamo subito osservare dalla tabella ai carichi parziali che l iniezione avviene in step successivi: questo è tipico per i motori MultiJet dove prima dell iniettata principale, detta main, vengono effettuate una o più iniettate pilota per poratare la camera di combustione alle condizioni ottimali di temperatura e pressione e ridurre in questo modo il tipico ritardo di accensione dei motori Diesel. Nel nostro caso l iniezione si compone di tre parti di cui le prime due molto minori in ternimi di massa iniettata rispetto alla terza, che quindi risulta essere la principale.

6 Naturalmente questa risulta essere la portata riferita ad ogni singolo foro per cui occorre applicare la tabella per ognuno dei sei fori che costituiscono l iniettore che stiamo simulando. In particolare si verifica che in questa condizione, nel caso di massima portata istantanea, si ha un valore di velocità massima del carburante pari a: Portata in massa = 0, Kg/s Diametro del foro = 0, m Area totale dei fori = 1,838538e-8 m2 Densità del combustibile = 678,308 Kg/m3 452,881 / Tale valore fornirà una verifica immediata sulla simulazione per vedere se effettivamente i dati ottenuti coincidono con quelli stimati. Occorre a questo punto ora definire le condizioni al contorno: il software individua automaticamente in questo caso la superficie esterna come Wall, alla quale occorre semplicemente applicare una condizione di temperatura fissa e pari a 293 K.

7 Per quanto riguarda la scelta dei parametri principali per la simulazione, questi sono calcolati partendo dai dati a disposizione e facendo una serie di considerazioni riguardo alla fisica del problema. In particolare, per quanto riguarda il Time-Step, si è ragionato in modo da avere un valore in secondi nell ordine di 10-6, pur non gravando troppo sul costo computazionale del problema. Nota la velocità angolare del motore è stato quindi possibile calcolare: Per cui se si adottasse un valore di Time-Step in secondi nell ordine di 10-6 si otterrebbe per la simulazione a 2000RPM un valore pari a , ,012 Per rendere la simulazione meno gravosa in seguito alla limitata potenza di calcolo a disposizione, scegliamo di mantenere l ordine di grandezza per il Time-Step ma di incrementarne un po il valore per limitare il numero d iterazioni necessarie. Scegliamo quindi per tutti i casi un valore di Time- Step pari a 0,05 CA. La simulazione dovrà essere naturalmente condotta per tutta la durata della legge d iniezione, considerando anche un margine di tempo in più per poter avere dati migliori riguardo alla dinamica dello spray. In particolare per il caso in esame definiamo un tempo totale di 35 dato che l iniezione occupa, in questo caso, solo 22,03 dell angolo motore. Occorre anche difinire al software il valore indicativo delle parcels che è necessario introdurre. In particolare, le indicazioni a riguardo ci suggeriscono un numero di Parcels pari a 5 per ogni foro per ogni Rime-Step, ma il valore da introdurre è in parcels al secondo, e quindi è necessatio effettuare un semplice calcolo per poter definire tale valore. In particolarmodo calcoliamo: Durata del singolo Time Step: 4,167*10-6 s Numero d iterazioni necessarie: 35/0,05 = 700 Durata totale della simulazione: 0, s Numero delle Parcels per foro al secondo: 1,2*10 6 Per una maggiore comodità di visualizzazione, scegliamo di aumentare comunque questo valore a 2,6*10 6 parcels al secondo pari a circa 10 a foro per ogni time-step. Da questo dato possiamo calcolare il numero totale di parcels che saranno iniettate nella simulazione considerando che l iniezione dura 22, ,03 0, A questo punto, dato che le parcels sono soggette a fenomeni molto complessi quali separazioni, ricongiungimenti, evaporazione, ecc.. per cautelarsi è opportuno inserire un valore del numero

8 totale di parcels superiore rispetto a quello indicativo delle parcels iniettate, per cui rispetto al valore calcolato di si prevede un valore di sicurezza sulle parcels totale pari a Ultimo parametro da controllare è infine il Numero di Courant. Questo viene come precedentemente detto definito come: e si basa quindi sulle caratteristiche di dimensione delle celle e di velocità del fluido che le attraversa, rispetto al valore impostato per il time step. Si tratta in pratica di un parametro utile per la valutazione del corretto settaggio della durata del time step rispetto proprio alle caratteristiche del campo di moto che si sta simulando. In particolare, era già stata calcolata la velocità indicativa del carburante in entrata nel cilindro con un valore di 452 m/s per il caso d iniezione a carico parziale, per cui noto questo valore e noto che la dimensione caratteristica delle celle è stata imposta pari a 1 mm è possibile calcolare: / 4, s 0,53 Parametro che risulta ampliamente cautelativo rispetto al valore massimo consigliato di 5. Ultimo settaggio prima di far partire la simulazione è quello di definire come il software si deve comportare rispetto ai dati salvati per il successivi postprocessing. Oltre ad un file risultati generale [.pst], infatti, Star-CD permette anche di salvare i risultati ogni determinati step successivi [.pstt] in modo da avere una traccia del transitorio. Per questo motivo definiamo un time-step pari a 1 dell angolo motore per il salvataggio di tali dati parziali. La simulazione è pronta per essere lanciata. Seguendo tale metodologia di configurazione del modello, ed utilizzando per ogni caso la stessa geometria e la stessa mesh, settiamo tutti i casi di interesse che ci permetteranno, durante il postprocessing, di confrontare i risultati e di trarre le conclusioni a riguardo. Riassumendo, la casistica analizzata sarà la seguente: Caso 1 Regime di rotazione 2000 RPM Pressione nel cilindro Pa assoluti Temperatura nel cilindro 300 K Durata della simulazione 35 CA Evaporazione no

9 Caso 2 Regime di rotazione 2000 RPM Pressione nel cilindro Pa assoluti Temperatura nel cilindro 600 K Durata della simulazione 35 CA Evaporazione no Caso 3 Regime di rotazione 2000 RPM Pressione nel cilindro Pa assoluti Temperatura nel cilindro 300 K Durata della simulazione 35 CA Evaporazione si Caso 4 Regime di rotazione 2000 RPM Pressione nel cilindro Pa assoluti Temperatura nel cilindro 600 K Durata della simulazione 35 CA Evaporazione si Per quanto riguarda il combustibile, invece, si mantiene il valore di temperatura pari a 350 K. La simulazione è pronta per essere lanciata. Naturalmente per ogni caso analizzato si mantiene la stessa geometria e la stessa mesh. 2.2 Bomba Calorimetrica - Postprocessing Per quanto riguarda la fase di post-processing, ovvero la valutazione dei risultati di interesse per la simulazione realizzata, occorre anzitutto puntualizzare quali sono i parametri principali che intervengono nella valutazione critica di una iniezione di tipo motoristico. Lo spray che si realizza in un iniezione di questo tipo, infatti, deve avere caratteristiche tali da renderlo il più adatto possibile a subire una combustione spontanea, come tipico per i motori diesel, per cui occorre poter realizzare uno spray tale da favorire tutti quei processi chimici e fisici necessari per poter preparare al meglio e nel minor tempo possibile il fenomeno dell autoaccensione. In particolare tra i fenomeni principali in questa fase si ricordano: Fenomeni Fisici: Polverizzazione, Riscaldamento ed Evaporazione, Diffusione Fenomeni Chimici: Decomposizione delle Catene, Formazione di Composti intermedi, Reazioni Preliminari, Avvio delle Reazioni Esotermiche.

10 L iniezione e le sue caratteristiche influenzano pesantemente questi fenomeni e quindi vanno a definire in prima persona il tempo di ritardo all accensione, ovvero quel periodo che differenzia una accensione ideale da una accensione reale compreso tra l iniezione di una goccia di combustibile e la sua autoaccensione. Il sistema MultiJet analizzato in questa simulazione mira proprio ad abbattere tale fastidioso ritardo iniettando prima della main piccoli pacchetti di combustibile che, bruciando istantaneamente, permettono di aumentare pressione e temperatura in camera e quindi accelerare poi tutti i processi successivi. Lo studio della dinamica dello spray è qui fondamentale perché ogni parametro, dalla pressione di iniezione all angolo del cono dell iniettore, dal diametro dei fori al moto turbolento del cilindro, contribuisce in maniera più o meno pesante al miglioramento delle condizioni che portano all autoaccensione del combustibile, per cui una giusta combinazione di tutti questi paramentri permette di migliorare il funzionamento del motore portando più prestazioni e meno emissioni. Dal punto di vista fluidodinamico, esistono dei parametri che permettono di valutare e confrontare tra di loro le differenti scelte fatte su iniettori e parametri di settaggio, per poter valutare in modo oggettivo la qualità dello spray e permettere di decidere quale risulta essere la combinazione migliore. In particolare si ritrova quindi: PENETRAZIONE intesa come distanza massima raggiunta dallo spray. Risulta particolarmente influenzata dalle caratteristiche dell iniezione (pressione, geometria foro, ) e dalle caratteristiche dell ambiente in cui il combustibile viene iniettato (pressione, densità, moti turbolenti, ). Da precisare che spesso nei motori diesel la penetrazione lavora insieme con il moto di swirl per cui è necessario tarare bene i due valori in modo che lo spray possa penetrare bene in camera, ma non arrivi comunque a toccare le pareti del cilindro, per evitare fenomeni di imbrattamento o impingment del cielo. DIFFUSIONE - viene valutato l angolo del cono interessato dallo spray. In particolare tale parametro risulta essere influenzato dal rapporto tra densità del combustibile e densità dell ambiente, dal rapporto tra lunghezza e diametro del foro che tende a guidare più o meno il combustibile in entrata, e dal numero di fori insieme al loro orientamento nello spazio. GRANULOMETRIA rappresenta la caratteristica più importante al fine motoristico in quanto il diametro delle gocce è fondamentale al fine dell innesco di tutti quei fenomeni chimici e fisici che porteranno poi all autoaccensione e alla successiva combustione. Si tratta comunque di un parametro che è necessario trattare in modo statistico. In particolare analizzando i dati a disposizione è possibile presupporre una distribuzione gaussiana dei valori dei diametri delle singole gocce, caratterizzata da un certo valore medio e da una certta deviazione standard, per cui da questa si estraggono dei parametri riassuntivi che risultano essere migliori e più pratici dal punto di vista dell analisi critica. In particolare risulta quindi possibile calcolare:

11 Dove F(x) è proprio la funzione che esprime la distribuzione gaussiana. Tra questi tre parametri il migliore risulta quello riferito al diametro medio di Sautern in quanto conserva il rapporto tra Volume e Superficie delle gocce, che è poi quello principale al fine dell evaporazione e della successiva accensione e combustione. Naturalmente, dato che tutta la trattazione si basa su conceti statistici, i valori in uscita non avranno un esatto riscontro nella realtà, ma risultano comunque utili per valutare come i differenti parametri possono intervenire nella dinamica dell iniezione migliorandone o peggiorandone il risultato finale Verifica delle Velocità La prima cosa che è possibile effettuare sul postprocessing è la valutazione delle velocità in uscita dal foro per verificare se la prima stima calcolata sulla portata volumetrica per la valutazione del numero di Courant risulta corretta almeno in modo approssimato, a meno di una certa tolleranza comunque accettabile. In particolarmodo, il caso da analizzare è naturalemente quello in cui, dal punto di vista teorico, le velocità assumono i valori massimi, e nel nostro caso, questo si dovrebbe avere nel punto in cui la

12 portata istantanea raggiunge i massimi valori, e con pressione nel cilindro bassa (caso a circa 3bar) in quanto il carburante incontra una minore resistenza alla penetrazione. Consideriano anzitutto il caso finale, ovvero carichiamo i dati relativi alle Droplets riferiti all ultima iterazione calcolata (35 CA). Come è possibile notare da questa prima immagine, il valore massimo della velocità è di soli 17 m/s. Questo è ovviamente un valore con conforme a quanto detto, ma il motivo è da ricercare nel fatto che la simulazione implementata prevedeva una legge di iniezione che terminava a 22,03 CA, mentre la durata totale era di 35 CA, per cui la situazione nel caso analizzato risulta essere quella in cui lo spray ha terminato l iniezione da circa 10 per cui le velocità sono notevolmente diminuite in quanto il combustibile incontra la resistenza del gas presente nel cilindro. Occorre quindi valutare il dato riferito alla velocità massima in un punto della simulazione in cui l iniezione è al massimo della portata in ingresso, e per far questo ci riferiamo proprio al file dei risultati transitori che è stato salvato automaticamente ogni 1 CA. Dalla legge d iniezione è possibile verificare che un punto in cui l iniezione raggiunge il massimo della portata può essere per esempio assunto ad un valore dell angolo motore pari a 20 CA. Carichiamo quindi i dati riferiti alle Droplets relativamente a questo time-step e valutiamo i risultati ottenuti.

13 Come è possibile notare, il valore delle velocità risulta essere in accordo con il valore stimato dalla portata in massa a meno di una certa varianza dovuta al fatto che non è possibile cogliere il punto angolare esatto di massima portata iniettata con i valori del transitorio salvati. Si era calcolato, infatti, un valore di velocità pari a 452 m/s, e la simulazione fornisce in questo che risulta essere uno dei time step caratterizzato dalla massima portata, un valore massimo locale pari a 398 m/s, naturalmente posto in prossimità del foro. Quindi è possibile affermare che la risultati numerici e le stime iniziali sono in accordo, per cui la simulazione può essere ritenuta come realmente esplicativa del caso in esame ed i settagli relativi alle portate impostati risultano essere stati ben interpretati dasl software stesso Verifica della Penetrazione

14 Come precedentemente spiegato, uno dei parametri fondamentali risulta essere quello relativo alla penetrazione dello spray nel cilindro, che nel caso di motori reali deve essere tarato in modo corretto anche in funzione del moto di swirl presente in camera dei motori Diesel, per consentire di raggiungere una distanza adeguata senza tuttavia andare a imbrattare le pareti della bowl del pistone. Il software fornisce ovviamente tutti i dati necessari per la valutazione di questo importante parametro. Tuttavia, dato che i risultati sono forniti rispetto al sistema di riferimento globale, e la penetrazione deve invece essere calcolata a partire dal punto in cui avviene l iniezione, e quindi a partire dal foro dell iniettore, occorre trattare in modo adeguato i dati per estrarre i valori che effettivamente sono esplicativi del parametro di penetrazione. Per far questo è necessario fare una considerazione geometrica che prevede l introduzione di una matrice di trasporto che permette di ricalcolare i dati riferiti al sistema globale come ora riferiti al sistema locale. In particolare, valutiamo la situazione rispetto al caso in figura, considerato come generico, ma applicabile a qualunque dei casi in esame nella simulazione condotta. Se a è il vettore posizione della parcel come ci viene fornita dal software, e b è il vettore penetrazione che si vuole calcolare rispetto al sistema di riferimento del foro dell iniettore, allora è possibile sfruttare il vettore c di trasporto tra sistema globale e sistema di riferimento locale per calcolare: b 0 = a 0 c 0 A questo punto occorre comunque poter definire il valore di c. Questo risulta essere il vettore che congiunge l origine del sistema di riferimento globale con l origine del sistema di riferimento cartesiano. Oltre a questo è necessario però tener presente che esiste anche una rotazione delle due terne, in quanto i due sistemi non presentano versori tra loro paralleli. Quindi, una volta aver trovato il vettore b di posizione della parcel rispetto al sistema locale ma orientato come quello globale, è necessario utilizzare una matrice di rotazione per poter calcolare le esatte coordinate del punto, come segue: b 2 = R 20 * b 0

15 Dove la matrice di trasporto riferita alla rotazione è a questo punto: Rispetto alle quali è poi necessario calcolare cos sin 0 01 sin cos cos 0 sin sin 0 cos Una volta aver calcolato questo vettore è facile trovarne il modulo, e quindi la penetrazione relativa a quel particolare time step. Naturalmente i dati relativi ai vettori sui quali effettuare i calcoli devono essere ricavati dalla simulazione andando a selezionare la Parcel più lontana dall iniettore per quel particolare time step, ricavarne le proprietà attraverso l apposito comando dlis, e lavorare poi sui vettori come spiegato. Il risultato è il valore della penetrazione calcolata partendo dal foro dell iniettore preso come riferimento a time step successivi, per poter realizzare una curva che mostri l andamento dell evoluzione. Riportiamo i risultati ottenuti con tale metodologia. Penetrazione Misurata [mm] 3 bar 300 K 7 bar 600 K CA NO eb SI eb NO eb SI eb ,403 11,410 10,544 10, ,574 13,612 12,586 12, ,509 16,391 14,368 14, ,701 28,889 25,161 25, ,056 36,712 33,258 33, ,336 42,951 36,628 38, ,680 48,278 43,969 43,922

16 55 Penetrazione a 3bar 300 K Penetrazione [mm] NO eboll SI eboll Crank Angle 50 Penetrazione a 7bar 600 K Penetrazione [mm] NO eboll SI eboll Crank Angle

17 Dalle tabelle e dai relativi grafici è possibile fare tre osservazioni principali: La variazione nei risultati della penetrazione tra caso con ebollizione e caso senza non è particolarmente marcata. Anzi, le curve tendono a sovrapporsi per gran parte della durata dell iniezione, e solo nella fase terminale si nota una leggera variazione. Da puntualizzare comunque che i valori di massa evaporata non sono particolarmente elevati e si attestano a soli pochi punti percentuali; La curva non presenta un andamento ed uno sviluppo uniforme, ma presenta varie zone in funzione del tempo in cui si ha il campionamento. La ragione di questo è da trovare nella forma della legge d iniezione che vede due preiniezioni prima della main, per cui la prima fase, caratterizzata da una portata limitata, porta a penetrazioni deboli, mentre quando interviene la main la portata maggiore permette di avere penetrazioni più significative; Come ci si può aspettare, l iniezione in bomba calorimetria a 3bar presenta valori di penetrazione maggiori rispetto a quella del caso a 7bar, poiché lo spray incontra, ovviamente, una maggiore resistenza aerodinamica all avanzamento, per cui le distanza sono più limitate. Naturalmente, come detto, su tale parametro influenzano molteplici fattori tra cui pressione di inezione, dimensione del foro, condizioni in camera, Facendo varie simulazioni e variando ogni volta uno solo di questi parametri sarebbe possibile verificare l influenza di ognuno e ottimizzare quindi la legge e i settagli dell iniezioni in funzione degli obiettivi prefissati Verifica della Granulometria Ultimo parametro importante che è possibile valutare in una simulazione d iniezione motoristica di combustibile è riferito alla granulometria. Come precedentemente spiegato, questo si basa essenzialmente su di una trattazione statistica dei dati estratti grazie alla quale è possibile però ricavare degli indici riassuntivi che permettono di confrontare i vari casi e valutare come i differenti settagli possono portare a migliorie o a peggioramenti nella qualità dello spray al fine della combustione. Tra i tre parametri disponibili, scegliamo di basare la nostra trattazione sul Diametro medio di Sautern, ritenuto il migliore, non tanto in quanto fornisce dati più accurati (è di natura statistica come gli altri due), ma quanto perché riesce a mantenere il rapporto tra volune e superficie delle gocce, dato estremamente importante per i successivi fenomeni chimici e fisici che le gocce di

18 combustibile devono subire prima di arrivare alla combustione. Più la goccia è piccola, infatti, più cresce il valore di superficie rispetto al volume, e quindi lo scambio termico con l ambiente circostante è favorito, e alla fine il ritardo d accensione sarà minore. Proprio per cercare di raggiungere tali risultati, negli ultimi anni si è assistito ad un aumento progressivo della pressione di iniezione, specie con i sistemi Common Rail di ultima generazione, unito ad una diminuzione del diametro dei fori proprio per cercare di nebulizzare il più possibile il combustibile in ingresso nel cilindro. La granulometria verrà quindi calcolata partendo dai dati forniti in uscita da StarCD, trattandoli in modo da ottenere i risultati di interesse. La procedura prevede di andare a selezionare per differenti valori dell angolo dell albero motore le sole gocce che si trovano ad una distanza dal foro dell iniettore di 10mm e di 30mm, e di effettuare un backup delle informazioni riferite a tali gocce. Grazie al comando other è possibile conoscere dati importanti quali il diametro, la massa, la temperatura, e il numero di droplets contenute in ogni parcel, per cui effettuare una trattazione statistica. Una volta aver raccolto tutti i dati necessari, è possibile calcolare i parametri necessari per la trattazione statistica, ed in particolare quelli relativi alla media (che sarà una media pesata) e sulla deviazione standard. Fatto questo è nota la distribuzione Gaussiana dei diametri delle droplets coinvolte, e quindi, sfruttando software matematici per il calcolo, è possibile arrivare al valore riassuntivo del diametro di Sautern per quel particolare caso. Per quanto ci riguarda gli strumenti utilizzati per i calcolo, i programmi scelti sono stati Microsoft Excel per la gestione dei dati e Maxima per il calcolo delle distribuzioni e dei relativi integrali numerici. Anche in questo caso si è scelto un campionamento temporale 5 CA per avere i punti utili alla creazione della curva di tendenza. Riportiamo quindi i risultati finali ottenuti. 10mm 3bar 300 K 3bar 300 K Boil 7bar 600 K 7bar 600 K Boil 5 2,485E 05 2,115E 05 2,115E 05 2,125E ,662E 05 3,185E 05 3,180E 05 3,191E ,548E 05 2,251E 05 2,251E 05 2,240E ,548E 05 1,015E 05 1,015E 05 9,037E ,502E 05 1,839E 05 1,839E 05 3,295E ,019E 05 4,106E 05 3,764E 05 3,245E ,979E 05 2,948E 05 2,948E 05 4,061E 05 30mm 3bar 300 K 3bar 300 K Boil 7bar 600 K 7bar 600 K Boil

19 25 1,156E ,298E 05 9,869E 06 9,869E 06 1,009E ,326E 05 1,185E 05 1,185E 05 1,145E 05 4,5E 05 Diametro Medio di Sautern, 10mm 4,0E 05 3,5E 05 SMD [m] 3,0E 05 2,5E 05 2,0E 05 1,5E 05 1,0E 05 5,0E 06 3bar 300 K 3bar 300 K Boil 7bar 600 K 7bar 600 K Boil 0,0E Crank Angle [ ]

20 1,4E 05 Diametro Medio di Sautern, 30mm 1,2E 05 1,0E 05 SMD [m] 8,0E 06 6,0E 06 4,0E 06 3bar 300 K 3bar 300 K Boil 7bar 600 K 7bar 600 K Boil 2,0E 06 0,0E Crank Angle [ ] Inanzitutto è possibile osservare che, a parte una comprensibile variazione nei punti calcolati, le curve denotano andamenti tra loro confrontabili in entrambi i casi di studio. In aparticolare, per il caso a 10mm, si nota come il valore calcolato di SMD abbia due picchi in corrispondenza dell angolo motore in cui si hanno le iniezioni. Questo poù trovare spiegazione nel fatto che, una volta iniettate, le gocce subiscono fenomeni che portano alla loro rottura, per cui negli istanti successivi alle iniezioni il valore di SMD tende a diminuire. Con l inizio della main, tuttavia, viene introdotto nuovo combustibile che non ha ancora ubito i fenomeni di break-up, per ui si spiega il secondo picco nelle curve. Nel caso a 30mm occorre anzitutto precisare che i valori partono da angoli motore di 25 e 30 poiché prima il getto di combustibile non è ancora arrivato alla quota dove i dati sono estratti. In ogni caso, l aspetto più evidente è legato al valore assunto dal parametro SMD in confronto al primo caso: si nota infatti che nel caso a 10mm i valori sono compresi tra 0,000010m e 0,000040m, mentre in quello a 30mm i valori sono tutti inferiori a 0,000014m. questo trova risposta nel fatto per cui lo spray, per raggiungere tale quota più distante dal foro, abbia già subito fenomeni che hanno pirtato alla rottura delle gocce, che quindi sono molto più piccole rispetto a quelle delle zono più vicine ai fori dell iniettore.

21 2.2.4 Altri parametri d interesse StarCD fornisce ad ogni salvataggio parziale del transitorio tutta una serie di dati in output che possono ritenersi interessanti per la valutazione della simulazione. Questi sono naturalmente di valore generale, per cui si riferiscono all intera popolazione delle droplets in quel momento presenti, per cui non possono essere utilizzati per esempio per la valutazione della granulometria come invece è stato fatto in modo manuale, ma i valori forniti possono essere comunque interessanti. Per tale motivo riportiamo dei diagrammi riassuntivi che permettono di confrontare in modo immediato i risultati globali per le differenti grandezze in ogni simulazione confotta. I dati sono ancora una volta trattati ed elaborati in ambiente Excel.

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26 2.3 Evoluzione dello spray Riportiamo, per una chiarezza nella visualizzazione, le immagini ricavate dalla simulazione campionate ogni 5 dell angolo motore, per verificare come lo spray si evolve nel cilindro. 5 CA

27 10 CA 15 CA

28 20 CA 25 CA

29 30 CA 35 CA

30 Nella sequenza delle immagini si nota chiaramente la suddivisione del carburante iniettato in preiniezioni e in main, e i fenomeni di break-up che le gocce subiscono mano a mano che penetrano nel cilindro.

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