Moto della carica nel cilindro

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1 Moto della carica nel cilindro Il moto della carica nel cilindro ha una grande influenza sulla miscelazione di aria- combustibile e sul processo di combustione. Lo scopo di una corretta introduzione della carica è promuovere la turbolenza, essenziale per il processo di combustione: nel benzina si ottiene una carica ben premiscelata e nel diesel eterogenea. DUE PAROLE SULLA TURBOLENZA (quello che potrei non ricordarmi da cfd) En cinetica vortice Num d'onda, Più piccolo è più grande è il vortice Scala di kolmogorov La scala aumenta ad alte temperature poiché la viscosità sale che tipo di turbolenza voglio dentro un cilindro?? voglio un modo medio organizzato (vortici di grande scala) che rappresenta la sorgente di en cinetica turbolenta per tutti i vortici più piccoli. Tali vortici avranno dimensioni dell'ordine di grandezza dell'alesaggio del cilindro. PERCHE' E' FONDAMENTALE LATURBOLENZA In un motore benzina per incrementare la velocità del fronte di fiamma. è grazie alla turbolenza che riesco a fare girare un motore a benzina anche giri al minuto: perchè il fronte di fiamma diventa molto veloce, quindi nonostante ho a disposizione meno tempo per fare avvenire la combustione, riesco a farla avvenire comunque. Per favorire miscelamento fra carica, aria e residui di combustione Per avere una carica stratificata: un modo per arricchire la miscela verso la candela e smagrirla verso il pistone. arricchendo la miscela intorno alla candela la combustione si innesca bene. In un motore diesel per il miscelamento fra aria, combustibile e residui Per favorire l'evaporazione del combustibile MOTI CHE ANDREMO A STUDIARE

2 SWIRL Moto strutturato rotazionale su un piando normale all'asse del cilindro, che si forma nel processo di introduzione della carica. Esso deriva da una componente di velocità tangenziale imposta dalla geometria del condotto o dalla forma della camera di combustione. È fondamentale nel diesel, non così fondamentale nell' otto, nell'otto ci basta il tumble. possono essere adottate tre diverse soluzioni per ottenere un buon moto di swirl, tenendo presente che comunque si va a sacrificare un buon coefficiente id efflusso. Incominciamo dalla prima. VALVOLA SCHERMATA a garantisco che il flusso d'aria sia diretto direttamente verso le pareti del cilindro con una valvola schermata: praticamente uso un deflettore sopra la valvola--> l'aria è costretta ad andare in una certa direzione, non appena entra nel cilindro. Coefficiente di efflusso molto peggiorato CONDOTTO DIREZIONALE b condotto con direzione preferenziale. disegno il condotto in modo tale che porti il flusso verso la parete del cilindro. Il coeff di efflusso peggiora meno del caso precedente. La velocità tangenziale è imposta all'entrata del cilindro e la formazione del moto di swirl è completata all'interno del cilindro stesso. CONDOTTO ELICOIDALE c l'aria assume moto vorticoso già nel condotto. All'inizio il vortice è molto veloce e piccolo e poi si allarga rallentando, a causa della conservazione del momento angolare della quantità di moto. COME QUANTIFICARE LO SWIRL l'esigenza nasce per confrontare l'entità dello swirl, al fine di paragonare fra loro i vari sistemi che lo generano. Possono essere impiegati metodi cfd ma comunque l'approccio sperimentale resta valido per semplicità di realizzazione e per la possibilità di validare tali modelli. Esistono a tale proposito due indici. Considero il sistema sperimentale a fianco, alimentato da un flusso di aria in regime stazionario. La turbinetta risente del moto di swirl e inizia a girare a una certa velocità omegas. Swirl ratio cilindro D alesaggio Omega s : velocità turbina V is velocità isoentropica calcolata con il deltap a cui sottopongo la valvola: tale deltap me lo fornisce il ventilatore. ventolina Buon indice che mi da' una buona idea della velocità dello swirl, in quanto a regime la ventolina ha velocità molto simile, il problema è che con questo sistema non mi rendo ancora conto dell' entità della massa coinvolta nel vortice. Nasce quindi l'esigenza di impostare un ulteriore prova sperimentale.

3 Ho una matrice a nido d'ape, che può ruotare attorno ad un asse. il moto di swiirl si trasmette alla matrice che ha condotti assiali, ilmoto diventa assiale e trasmette la sua quantità di moto alla matrice--> si metterebbe in rotazione ma non ruota perché fissa e collegata ad uno strumento di misura: si misura quindi la coppia adimensionale M momento misurato 8 serve a rendere più consistente il risultato I numeri definiti sono utili a confrontare varie geometrie, vediamo qualche esempio di risultati sperimentali Condotto direzionale sono poco efficaci come generatori di swirl alle piccole alzate, in quanto velocità del fluido basse. Ad alte alzate diventano invece molto interessanti. Il problema è che ho coeff di efflusso bassi, poiché viene utilizzata per smaltire la portata solo una parte dell'area della luce scoperta dalla valvola Valvola schermata si comporta bene alle basse alzate, ma non cresce più di tanto Condotto elicoidale subito ha un valore molto alto alle basse alzate e poi scende ad un valore che comunque è accettabile Conclusione: ogni volta che spendo energia per organizzare il moto, il riempimento del motore ne risente alzata TUMBLE Moto rotatorio organizzato su di u piano passante per l'asse del cilindro, che incomincia a formarsi durante la fase di aspirazione ed è poi sostenuto ed amplificato verso la fine di quella di compressione. Per intensificare il tumble occore disegnare un condotto che non solo acceleri il flusso entrante, ma anche lo diriga prevalentemente verso la zona sottostante la valvola di scarico--> interagendo poi col cilindro fa una specie di capitombolo e il tumble viene generato. Il tumble è fondamentale nel benzina 4 valvole condotto disegnato per un buon coeff di efflusso. con due condotti non riesco a sviluppare lo swirl perchè ho inteferenza fra i due flussi. cerco di disegnare il condotto con una forma più direzionale. non indirizzo il flusso a lambire solo il cilindro, il flusso viene spinto sotto le valvole di scarico. penalizzo la parte di flusso che vorrebbe andare in basso. peggioro sicuramente il coeff di efflusso (si vede come la curva a sinistra è più curata)

4 Una successiva azione di pari importanza, dopo la generazione del tumble, viene fatta dal movimento del pistone nella corsa di compressione. Quando infatti il vortice viene schiacciato dalla risalita del pistone, il raggio si riduce e quindi la sua velocità aumenta per conservare il momento globale della quantità di moto. COME QUANTIFICARE IL TUMBLE Oltre ad approcci visivi e numerici si possono fare diverse sperimentazioni. Ho bisogno di un sistema di sperimentazione adeguato, che trasformi il tumble in swirl per poterlo misurare. devo avere un sistema di cilindri che mi consenta di genereare il tumble, il tumble viene trasferito a un altro cilindro che diventa swirl, fino ad arrivare alla matrice a nido d'ape. Come nel caso precedente questi indici sono utili a confrontare diverse geometrie al fine di trovare la configurazione migliore. Si riporta in un grafico il confronto fra coefficiente di efflusso ed Rt, con diverse geometrie dell'aspirazione il coeff d'efflusso si comportano bene per la soluzione a, poi va sempre peggiorando andando verso la soluzione f. f riempie meno ma gira molto più veloce. Nella soluzione a motore a il cilindro ha tantissima aria dentro, ma a giri alti inizia ad essere molto penalizzato per la velocità del fronte di fiamma, in quanto non ho sufficiente turbolenza in camera. La f è la soluzione con tumble più intenso, con addirittura un dispositivo che blocca il vortice secondario. I coefficienti di efflusso sono però inaccettabili Soluzioni intermedie sono le migliori poiché c'è un ottimo compromesso. IMPORTANZA DEL TUMBLE Usando 4 valvole per la camera di combustione, avendo entrambe le valvole di aspirazione stessa fasatura, risulta difficile ottenere swirl a causa della simmetria del flusso. Tumble quindi è una buona tecnica alternativa per produrre turbolenza

5 SQUISH Nei motori otto un pochino si genera ma non è intenzionale. Nei motori diesel invece è voluto. Definizione: movimento rotatorio organizzato della carica su di un piano assiale che si genera verso la fine della fase di compressione, come conseguenza della disuguale variazione di volume a disposizione del fluido. Tale moto è prodotto in concomitanza con l'avvio del processo di combustione. quando il pistone sale vado quasi a toccare la testa. Così facendo il gas è costretto a fuoriuscire dalle zone laterali e assume un moto radiale vrso il centro. occupa quindi le regione centrali creando due vortici centrali. lo squish è come il tumble solo che si genera solo nella parte finale della salita del pistone. area di squis:, è l'area dove pistone e cilindro si avvicinano tantissimo fino a qualche mm COME QUANTIFICARE LO SQUISH come faccio a definire un indice di swish? non posso fare sistemi di misura come prima, perchè il moto è insito nel movimento del pistone--> non si possono fare prove stazionarie come prima. È allora necessario visualizzare la formazione dei vortici con inseminanti e tecniche laser, con cilindro trasparente. ci accontentiamo allora di definire un rapporto fra aree: faccio il rapporto fra l'area di squish e la sez trasversale del cilindro % come odg. RISULTATI SPERIMENTALI vado a valutare la velocità di squish radiale: la velocità del flusso che si crea quando il pistone sale, verso il centro. velocità valutata con metodi ottici oppure numerici. La riporto in funzione di: angolo di manovella spessore dello spazio morto A% squish caso A Db abbastanza piccolo, gli altri casi hanno diametro della tazza più grande. se aumento Db si riduce l'area di squish: intuitivamente andrà meglio la soluzione A perchè l'area è maggiore e l'effetto sarà marcato. inoltre nel caso A ho maggior avvicinamento alla testa del pistone. Caso C l'area di squish è piccola inoltre la quota c è molto più grande--> la velocità è molto più penalizzata indipendentemente dal caso osservo che la velocità dipende dall' angolo di manovella. ho un massimo: migliore compromesso fra velocità del pistone che sta salendo e volume che si riduce Dopo il punto morto superiore: Il gas torna ad occupare i volumi più piccoli in corrispondenza dell'area di squish--> squish inverso, ulteriormente accentuato dalla combustione. Si crea un complesso moto di vortici che incrementa la turbolenza. SWAMBLE=SWIRL + TUMBLE nel futuro vedremo questo