UNIVERSITA DEGLI STUDI DI CASSINO

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1 UNIVERSITA DEGLI STUDI DI CASSINO FACOLTA DI INGEGNERIA DOTTORATO DI RICERCA IN INGEGNERIA INDUSTRIALE TESI DI DOTTORATO MODELLI MULTIDIMENSIONALI PER LA PREVISIONE DELLE PRESTAZIONI DI PICCOLI M.C.I. PLURIVALVOLE A CARICA PREMISCELATA E VERIFICHE SPERIMENTALI MARIAGIOVANNA MINUTILLO

2 UNIVERSITA DEGLI STUDI DI CASSINO FACOLTA DI INGEGNERIA DIPARTIMENTO DI INGEGNERIA INDUSTRIALE DOTTORATO DI RICERCA IN INGEGNERIA INDUSTRIALE XV CICLO Tesi di Dottorato MODELLI MULTIDIMENSIONALI PER LA PREVISIONE DELLE PRESTAZIONI DI PICCOLI M.C.I. PLURIVALVOLE A CARICA PREMISCELATA E VERIFICHE SPERIMENTALI Cassino, novembre 2002 Tutor Prof. Ing. Elio Jannelli Candidato Dott. Ing. Mariagiovanna Minutillo Coordinatore Prof. Ing. Gennaro Figalli

3 INDICE INDICE SOMMARIO CAPITOLO I STATO DELL ARTE SULL IMPIEGO DI CODICI CFD PER LA SIMULAZIONE DI M.C.I. 1.1 INTRODUZIONE MODELLIZZAZIONE NUMERICA DI MOTORI DIESEL MODELLIZZAZIONE NUMERICA DI MOTORI AD ACCENSIONE COMANDATA 8 CAPITOLO II DESCRIZIONE DEI CODICI CFD UTILIZZABILI NELLA SIMULAZIONE DI M.C.I 2.1 IL CODICE KIVA 3V STRUTTURA DEL CODICE METODOLOGIA DI CALCOLO GRIGLIA DI CALCOLO DISCRETIZZAZIONE DELLE EQUAZIONI DIFFERENZIALI ARBITRARY LAGRANGIAN EULERIAN METHOD (ALE) IL CODICE AVL FIRE STRUTTURA DEL CODICE FIRE METODOLOGIA DI CALCOLO GRIGLIA DI CALCOLO SOTTOMODELLI DEL CODICE FIRE 41

4 INDICE CAPITOLO III LA COMBUSTIONE NEI MOTORI AD ACCENSIONE COMANDATA: ASPETTI TEORICI E MODELLI DI CALCOLO 3.1 LA COMBUSTIONE TURBOLENTA VELOCITÀ DI REAZIONE MODELLI PER LA DESCRIZIONE DI PROCESSI MOTORISTICI MODELLO TERMODINAMICO MODELLO CINETICO MODELLO EDDY-BREAK UP (EBU) MODELLO IBRIDO MODELLO PDF (PROBABILITY DENSITY FUNCTION) MODELLO CFM (COHERENT FLAMELET MODEL) CONCLUSIONI 63 CAPITOLO IV PROVE E RISULTATI SPERIMENTALI PER LA TARATURA E LA VERIFICA DEI MODELLI 4.1 L IMPIANTO SPERIMENTALE IL SISTEMA DI AUTOMAZIONE LA CONSOLLE DI BANCO MODULI FEM (FRONT END MODULE) IL SISTEMA DI ACQUISIZIONE AD ALTA VELOCITA GRANDEZZE MOTORISTICHE MISURATE SISTEMA INTEGRATO INIEZIONE ACCENSIONE CONDIZIONI DI FUNZIONAMENTO E PRESTAZIONI CURVE DI COPPIA E MISURE DI PORTATA CICLI DI PRESSIONE 85

5 INDICE CAPITOLO V MODELLIZZAZIONE DEL MOTORE FIAT FIRE V 5.1 IL DOMINIO DI CALCOLO LA MESH DEFINIZIONE DELLE CONDIZIONI INIZIALI E CONDIZIONI AL CONTORNO PER IL CALCOLO CAMPO DI MOTO INIZIALE DELLA CARICA IL MODELLO DI COMBUSTIONE IL MODELLO CHIMICO IL MODELLO DI TURBOLENZA 109 CAPITOLO VI CONFRONTO DEI RISULTATI NUMERICI CON I DATI SPERIMENTALI 6.1 TEST CASES RISULTATI DELL ANALISI A CARICO PARZIALE RISULTATI DELL ANALISI A PIENO CARICO CAMPO DI MOTO E CAMPI DI TEMPERATURA EMISSIONI INQUINANTI ANALISI DI SENSIBILITÀ DEL MODELLO ALLE CONDIZIONI INIZIALI 132 CAPITOLO VII SIMULAZIONE DEL MOTORE ALIMENTATO CON MISCELE BENZINA- IDROGENO: MODIFICHE AL MODELLO 7.1 INTRODUZIONE L IDROGENO COME COMBUSTIBILE NEI MOTORI AD ACCENSIONE COMANDATA LA COMBUSTIONE DELL IDROGENO: MECCANISMI CHIMICI E VELOCITÀ DI REAZIONE MODELLO DI COMBUSTIONE PER MISCELE ARIA-IDROGENO 141

6 INDICE 7.5 RISULTATI DELLA SIMULAZIONE DEL MOTORE ALIMENTATO CON IDROGENO PURO MODELLO DI COMBUSTIONE BENZINA-IDROGENO RISULTATI DELLA SIMULAZIONE DEL MOTORE ALIMENTATO CON MISCELE BENZINA-IDROGENO REGOLAZIONE DELLA COPPIA MEDIANTE VARIAZIONE DELLA PORTATA DI BENZINA EMISSIONI INQUINANTI GENERAZIONE DI IDROGENO A BORDO DEL VEICOLO CONSIDERAZIONI CONCLUSIVE 163 APPENDICE A SOTTOMODELLI DI CALCOLO DEL CODICE KIVA 3V A.1 MODELLO DI TURBOLENZA 165 A.2 MODELLO CHIMICO 169 A.3 MODELLO DI COMBUSTIONE 170 A.4 CONDIZIONI AI LIMITI 171 BIBLIOGRAFIA 172

7 SOMMARIO SOMMARIO Nella tesi è illustrata l attività di studio e di ricerca riguardante le problematiche della simulazione numerica della fase di combustione con codici multidimensionali. L interesse verso analisi computazionali di tal tipo è giustificata sia dalla necessità di ridurre i costi ed i tempi legati alle sperimentazioni in sala prova sia dalla possibilità di effettuare indagini fenomenologiche approfondite in camera di combustione (studi sui campi di velocità e di temperatura, distribuzione delle specie chimiche, meccanismi di formazione degli inquinanti, penetrazione dei getti di combustibile nei motori a iniezione diretta, etc.) con l obiettivo generale di migliorare le prestazioni dei moderni motori a combustione interna. Per giungere ad una corretta ed affidabile previsione delle prestazioni dei motori sono stati approfonditi gli aspetti teorici e numerici della simulazione dei campi fluidodinamici e dei meccanismi di combustione. In particolare sono stati studiati ed utilizzati diversi modelli di combustione implementati nel codice KIVA 3V (Arrhenius, Eddy Break Up, etc). I risultati delle simulazioni sono stati confrontati con i dati sperimentali acquisiti al fine di mettere in evidenza le caratteristiche dei diversi modelli, la precisione e le possibilità di applicazione. Il motore utilizzato per l elaborazione dei test cases numerici e sperimentali è un piccolo motore pluricilindrico e plurivalvole ( FIAT FIRE V). L assegnazione delle condizioni iniziali ha richiesto la definizione del campo di moto della carica all inizio della computazione e, a tale scopo, si è fatto riferimento agli studi condotti dal centro ricerche FIAT sul moto di tumble presente in camera di combustione alla chiusura delle valvole di aspirazione; le altre condizioni iniziali sono state assegnate I

8 SOMMARIO sulla base dei dati sperimentali disponibili. Le prove sperimentali sono state condotte nella sala prove dell Università di Cassino. Tutti i modelli studiati hanno mostrato buone capacità di previsione delle prestazioni del motore ma tutti hanno richiesto valori differenti dei parametri di taratura per i vari punti di funzionamento simulati. Per superare queste difficoltà è stato sviluppato ed implementato nel codice un nuovo modello ibrido per la simulazione della combustione turbolenta. Il modello, di struttura semplice, tiene conto di entrambi gli aspetti che caratterizzano la combustione: la cinetica chimica ed il mescolamento turbolento. Questi aspetti nel modello proposto vengono opportunamente pesati mediante l introduzione di una sola costante caratteristica. La validazione sperimentale del modello è stata condotta su tutto il campo di funzionamento del motore, al variare di regime e carico, confrontando i risultati delle simulazioni (curve di pressione e di prestazioni) con i rispettivi dati sperimentali. Il modello è stato successivamente modificato per studiare le prestazioni del motore nel caso di alimentazioni magre con miscele benzina-idrogeno. Sono quindi state affrontate le problematiche della simulazione numerica della fase di combustione di miscele bi-combustibile mediante il codice di calcolo multidimensionale. Le caratteristiche dell idrogeno come combustibile quali: ampio campo di infiammabilità, bassa energia di attivazione ed elevata velocità di propagazione della fiamma, lasciano ben sperare che il suo utilizzo come combustibile additivato alla benzina comporti la possibilità, per i motori ad accensione comandata, di lavorare con miscele magre conservando buone prestazioni. Infatti, come dimostrato in numerosi studi, l aggiunta di idrogeno in miscele magre aria benzina consente di aumentare la velocità del fronte di fiamma evitando il pericolo del misfiring. II

9 SOMMARIO Le modalità di combustione dell idrogeno e l influenza che la sua combustione ha sulla propagazione del fronte di fiamma, sono infatti aspetti condizionanti per un accurata indagine sulle condizioni di funzionamento e la previsione delle prestazioni di un motore, e sono quindi i primi aspetti da affrontare in uno studio rivolto all alimentazione di motori con miscele magre. Il modello sviluppato, che consente di valutare le velocità di combustione dei singoli combustibili e quella della miscela nella sua globalità, è stato utilizzato per valutate le prestazioni del motore al variare di alcuni parametri quali: i) il rapporto di equivalenza della benzina, ii) la percentuale di idrogeno additivato alla benzina. Lo studio è stato rivolto all individuazione delle condizioni ottimali di alimentazione che consentano di lavorare nel campo delle miscele magre garantendo prestazioni confrontabili con quelle del motore a benzina. Lo studio condotto sulle condizioni di funzionamento di motori benzina-idrogeno è stato inoltre rivolto anche alla possibilità di variare la coppia del motore non intervenendo sulla portata d aria (chiusura valvola a farfalla), ma intervenendo sulla portata di benzina da iniettare nel collettore di aspirazione, mantenendo la valvola a farfalla completamente aperta, ed assegnando un valore costante del rapporto di equivalenza aria-idrogeno. La validazione del modello di calcolo è stata condotta confrontando i risultati ottenuti con dati sperimentali e numerici disponibili nella letteratura tecnica. III

10 ABSTRACT ABSTRACT The prevision of engine working conditions, using multidimensional codes, requires the availability of thermodynamic and fluid dynamic models able to describe turbulent and chemical phenomena. In the thesis, a computational model, able to foresee the performance of the FIAT FIRE 1200, 16V engine, was elaborated to study this engine and its performances for full and partial load condition at different speed. The numerical simulation results are compared to the experimental data obtained in the test room of Industrial Engineering Department of Cassino University. Relatively to pressure cycles and performances, the comparison between measured and calculated values has evidenced the model capability to predict correctly engine operation also for different conditions. In particular, tuning appropriately the characteristic constants of the model, it is possible to obtain a good agreement of calculated pressure curves with indicated cycles. This agreement has demonstrated the validity of the hypothesis relatively to the combustion model and the scarce sensibility of the constants to different engine operating points, therefore permitting to use the modified code to foresee engine performances over all the engine map. The model was modified to foresee performances of the engine fueling with very lean gasoline-hydrogen mixtures. Hydrogen and gasoline can be burned together in internal combustion engines in a wide range of mixtures. In fact, the addition of small hydrogen quantities increases the IV

11 ABSTRACT flame speed at all gasoline equivalence ratios, so the engine operation at very lean airgasoline mixtures is possible. The modified model has permitted to study the combustion of a dual fuel, according to two one-step overall reactions. It describes the time evolution of the combustion process in a hydrogen enriched gasoline engine. Based on computed results, the heat release and the cylinder pressure have been evaluated considering an operating point of an S.I. engine designed for gasoline feeding. Varying both the equivalence ratio of the air-gasoline mixture and the percentage of supplemented hydrogen results in tune with those available from the scientific literature have been obtained. It has been found that increasing the hydrogen-gasoline ratio, at very lean mixtures, it is possible to keep the performance of the engine fuelled with pure gasoline at stoichiometric mixtures. Furthermore, in the thesis, the possibility of operating at wide-open throttle, varying the equivalence ratio of air-gasoline mixture at fixed quantities of the supplemented hydrogen, has been studied. The computational analysis has marked the possibility of operating with high air overabundance (lean or ultra-lean mixtures) without a performance decrease, but with great advantages on pollutant emissions and fuel consumption. The results have shown a reduction of NO x and CO 2 emission. The computational results seem to be in tune with experimental and numerical studies of the reference literature. Obviously, the results have to be validated by means of experimental data, but they showed the possibility of optimizing a conventional spark ignition engine in order to run with very lean mixtures so to reduce pollutant emissions. V

12 CAPITOLO 1 CAPITOLO 1 STATO DELL ARTE SULL IMPIEGO DI CODICI CFD PER LA SIMULAZIONE DI M.C.I. 1.1 INTRODUZIONE Il problema del contenimento dei consumi energetici e le sempre più stringenti norme di contenimento delle emissioni nocive hanno spinto la ricerca nell ambito motoristico a trovare soluzioni idonee a migliorare le prestazioni e minimizzare la formazione degli inquinanti. Nella letteratura tecnica è possibile riscontrare lavori di ricerca condotti con approcci diversi: indagini sperimentali su diversi prototipi ed indagini numeriche condotte utilizzando codici di calcolo anche tridimensionali. Tuttavia tali approcci non sempre sono completamente separati ma, in alcuni casi, possono coesistere. In tal caso, la modellizzazione numerica contribuisce all ingegneria dei motori, sia approfondendo le conoscenze sui fenomeni termofluidodinamici in camera di combustione, sia consentendo di individuare i parametri di controllo per le indagini sperimentali. Pertanto, il supporto numerico allo sviluppo di motori più efficienti, in termini di potenze e consumi, rappresenta un valido strumento in grado di indirizzare la sperimentazione nelle sale prova motori, e quindi le scelte del progettista. La ricerca, avendo come obiettivo lo sviluppo di modelli numerici in grado di supportare l attività di sperimentazione, mira sostanzialmente a creare strumenti non 1

13 CAPITOLO 1 solo efficienti, ma soprattutto efficaci (tempi e risorse di calcolo contenuti) al conseguimento di tale obiettivo. La simulazione dei motori alternativi a combustione interna richiede adeguati modelli matematici per la descrizione dei fenomeni che ne caratterizzano il funzionamento ed una valida discretizzazione del dominio computazionale. La ricerca e lo sviluppo di modelli di calcolo è indirizzata principalmente alla definizione e all assegnazione del campo di moto della carica, alla valutazione della turbolenza, alla definizione della legge di rilascio del calore, alla valutazione della velocità di reazione e anche allo studio degli sprays e della formazione degli inquinanti. Inoltre, per consentire lo studio di motori con geometrie complesse della camera di combustione, vengono sviluppate tecniche sempre più sofisticate per la realizzazione della mesh di calcolo. In tutti i modelli di calcolo sviluppati dagli studiosi del settore emerge sempre la necessità di calibrare le costanti dei modelli matematici implementati nei codici di calcolo, sulla base dei dati sperimentali. Studi sulla modellizzazione hanno quindi un ampio spazio nella ricerca scientifica rivolta all ottimizzazione delle prestazioni dei motori a combustione interna. 1.2 MODELLIZZAZIONE NUMERICA DI MOTORI DIESEL Numerosi studi sui motori Diesel si avvalgono della modellistica numerica mediante codici di calcolo multidimensionali. La ricerca è rivolta alle problematiche inerenti alla vaporizzazione del combustibile, alla miscelazione dello spray, alla stratificazione della carica nel cilindro, alla sovralimentazione e alla formazione degli inquinanti. In Italia è 2

14 CAPITOLO 1 stata rivolta particolare attenzione alle problematiche della combustione ed allo sviluppo di sottomodelli di calcolo che ne garantiscano la corretta trattazione. Lo studio condotto da Feola et al. [6] è appunto incentrato sulla valutazione della combustione in un motore diesel ad iniezione indiretta mediante il codice di calcolo KIVA II [30]. Il codice è stato modificato nella sua struttura originaria relativamente: i) alla generazione della griglia (mediante la messa a punto di un generatore di griglie finalizzate alle tipologie di diesel con precamera), ii) all assegnazione delle condizioni al contorno (tali da consentire la gestione di superfici curve in sistemi di riferimento cartesiani), iii) all evoluzione dello spray. Il dominio computazionale, oggetto dello studio condotto dagli autori, è costituito da una griglia che riproduce le due camere di combustione ed il relativo condotto di connessione. E stato messo a punto un codice di generazione automatica della griglia, allo scopo di superare il limite del pre-processore del KIVA II, capace di generare solo griglie di tipo assialsimmetrico, in un sistema di riferimento cilindrico. L impiego di superfici curve in sistemi cartesiani, inoltre, ha richiesto l implementazione di adeguate condizioni al contorno. L altro aspetto trattato dagli autori è l evoluzione dello spray in camera di combustione e, a tal riguardo, è stato implementato nel codice uno specifico algoritmo in grado di simulare l interazione fase liquida - parete. Le caratteristiche tecniche del motore studiato sono riportate in tabella 1.1, mentre in figura 1.1 e 1.2 sono raffigurati rispettivamente il disegno della camera di combustione e la griglia di calcolo. 3

15 CAPITOLO 1 Figura 1.1 Camera di combustione Figura 1.2 Griglia di calcolo Tabella 1.1 Caratteristiche geometriche del motore Alesaggio 88 mm Corsa 85 mm Lunghezza biella 145 mm Rapporto di compressione 22.5 Diametro precamera 27.8 mm Lunghezza condotto tra le camere mm Angolo inclinazione condotto 33 Perimetro del condotto mm Sezione del condotto 48 mm 2 La taratura del modello è stata condotta mediante confronto dei risultati numerici con i dati sperimentali (pressione media indicata), misurati nelle condizioni di funzionamento 1600 e 3000 giri/minuto, per un rapporto aria/combustibile pari a 20. Dal confronto è emersa la capacità predittiva del modello utilizzato. Lo scostamento tra curve di pressione sperimentali e curve calcolate, scostamento che caratterizza la fase di espansione (figure 1.3, 1.4), è stato attribuito dagli autori al modello di scambio termico implementato nel codice; infatti il modello si basa su alcune ipotesi semplificative che comportano la sottostima del coefficiente di scambio termico. 4

16 CAPITOLO 1 Figura 1.3 Curve di pressione (1600rpm) Figura 1.4 Curve di pressione (3000rpm) Bozza et al. [8], nell ambito dell attività di ricerca sui motori a combustione interna [9, 10], hanno sviluppato un metodo integrato per l analisi delle condizioni instazionarie di un motore diesel sovralimentato. La metodologia adottata, infatti, prevede l impiego integrato di un modello di calcolo monodimensionale ed un modello multidimensionale. Il modello monodimensionale è utilizzato per lo studio dei fenomeni che interessano le fasi di ricambio della carica, ossia per lo studio delle condizioni termofluidodinamiche della carica nei condotti di aspirazione e scarico, in relazione al sistema di turbosovralimentazione. Il modello multidimensionale, basato sul codice di calcolo KIVA II, è sviluppato per studiare i fenomeni all interno del cilindro, vale a dire quando le valvole di aspirazione e scarico sono chiuse. La simulazione, integrata dell intero sistema motore e dei fenomeni all interno del cilindro, è articolata secondo i seguenti passi: 5

17 CAPITOLO 1 le condizioni iniziali, all inizio della computazione 3-D, sono assegnate in accordo ai risultati dello studio 1-D; le condizioni iniziali sono continuamente modificate a seguito della procedura iterativa che coinvolge il modello 3-D e 1-D; la procedura si ripete fino a convergenza sulle condizioni iniziali per il calcolo multidimensionale. La procedura iterativa ha lo scopo di stabilire le corrette interazioni tra i processi che si svolgono all interno del cilindro e la fluidodinamica nei condotti esterni. Per la caratterizzazione del funzionamento del motore sovralimentato e per la validazione della metodologia di calcolo sviluppata, sono stati utilizzati dati sperimentali rilevati con prove al banco dagli stessi autori. Il modello computazionale sviluppato ha fornito buoni risultati in termini di valori istantanei delle proprietà fisiche della carica all interno del cilindro e negli apparati esterni. Un aspetto di grande interesse nell ambito degli studi sui motori Diesel è legato alle emissioni inquinanti. De Risi et al. [11], hanno utilizzato il codice di calcolo KIVA 3V [31], per valutare l influenza di alcuni parametri sulla formazione del particolato e degli ossidi di azoto. Il codice è stato modificato implementando ulteriori sottomodelli: per la valutazione dello spray ( blob injection model ed un breakup model basato sul criterio di instabilità di Reyleigh-Taylor e Kelvin-Helmotz); per la simulazione della combustione; per la caratterizzazione della turbolenza RNG k-ε; 6

18 CAPITOLO 1 per la valutazione dei meccanismi di formazione degli inquinanti (modello di Hiroyasu per la formazione del particolato, combinato con il modello di ossidazione di Nagle e Strickland-Constable, ed il modello di Zeldovich per gli ossidi di azoto). Le indagini numeriche sono state supportate dalle misure sperimentali effettuate su un piccolo motore ad iniezione diretta equipaggiato con il sistema di iniezione common rail. I risultati conseguiti hanno messo in evidenza che: o l incremento dell umidità relativa dell aria porta ad una riduzione della formazione di NOx; o l influenza del rapporto iniziale di swirl sull andamento degli NO cresce nel caso di iniezione anticipata, mentre la formazione di particolato è maggiormente influenzata dal ritardo all iniezione (per effetto di una minore penetrazione del getto a causa di una più elevata pressione in camera di combustione); o il processo di combustione turbolenta ha una forte influenza sulla formazione degli inquinanti. Gli stessi autori hanno inoltre utilizzato modelli di calcolo multidimensionali per studi più ampi sulle problematiche di funzionamento dei motori Diesel, incentrando, in modo particolare, la loro attività di ricerca sulla fluidodinamica del getto e sui problemi di cavitazione degli iniettori [12]. Studi dettagliati sullo spray e sulla modellistica 3-D per la valutazione della velocità di vaporizzazione delle gocce di combustibile sono stati condotti da Abraham e Magi [13], i quali hanno utilizzato il codice di calcolo KIVA 3. Gli autori hanno sviluppato un 7

19 CAPITOLO 1 modello semplificato per valutare la vaporizzazione del combustibile, costituito da più specie chimiche (C 6 H 14 e C 16 H 34 ), nelle condizioni di funzionamento, sia a caldo che a freddo, di un motore Diesel. 1.3 MODELLIZZAZIONE NUMERICA DI MOTORI AD ACCENSIONE COMANDATA L esigenza di ottimizzare il più diffuso motore per autotrazione, allo scopo di ridurre i consumi e le emissioni inquinanti, trova nella simulazione numerica con codici CFD uno strumento indispensabile alla sperimentazione. Gli studi numerico-sperimentali sui motori ad accensione comandata sono numerosi e molti riguardano, in particolare, la turbolenza in camera e lo sviluppo ed avanzamento del fronte di fiamma. Golini e Papetti [14], in uno studio sulla propagazione del fronte di fiamma, hanno utilizzato il codice KIVA II, modificato nella sua struttura originaria con l implementazione di un modello di quenching, per valutare la velocità della fiamma in prossimità delle pareti del cilindro. Inoltre, per superare la difficoltà di una errata valutazione della legge di rilascio del calore, gli autori hanno imposto una modifica alla legge di Arrhenius introducendo un coefficiente moltiplicativo all espressione della velocità di reazione che assumesse valore unitario in corrispondenza delle celle interne al dominio di calcolo e valore minore di uno per le celle di parete. Il modello computazionale, una volta calibrati i parametri caratteristici, è risultato in grado di simulare lo sviluppo della pressione in camera di combustione, così come ottenuto dalle misure sperimentali sul motore oggetto dello studio (tabella 1.2). 8

20 CAPITOLO 1 Tabella 1.2 Caratteristiche geometriche del motore Alesaggio 85 mm Corsa 92 mm Volume tazza cm 3 Cilindrata cm 3 Rapporto di compressione 8.25 Nelle figure 1.5 e 1.6 sono illustrate le curve di pressione per due diverse condizioni di funzionamento: a) 2210 giri/ minuto, -34 PMS; b) 2116 giri/ minuto, -24 PMS. Al fine di valutare l accuratezza del calcolo, gli autori hanno testato due mesh: i) griglia 17x22x20, ii) 17x26x Pressione [bar] 45 Pressione [bar] Angolo di manovella [ ] Angolo di manovella [ ] Figura a Confronto tra curve di pressione sperimentali (A) e calcolate (B) Figura 1.6 b Confronto tra curve di pressione sperimentali (A) e calcolate (B) Abraham et al. [15], studiando il processo di combustione in motori a carica premiscelata alimentati con miscele aria-propano, hanno messo in luce gli aspetti che caratterizzano lo sviluppo del fronte di fiamma, dalla formazione del nucleo di fiamma fino al completo sviluppo della fiamma turbolenta. In particolare, gli autori hanno 9

21 CAPITOLO 1 valutato l influenza dei vortici turbolenti sulla crescita del fronte di fiamma, riscontrando, come da altri studi affini, che nella fase di iniziale della combustione, la crescita del nucleo di fiamma è dominata dagli effetti laminari (in particolare la velocità laminare di fiamma ha un effetto decisivo sulla durata del ritardo all accensione), mentre il restante sviluppo del processo di combustione è dominato sia da effetti laminari che turbolenti. Gli autori per le loro indagini numeriche hanno utilizzato una metodologia integrata, adottando un modello zero-dimensionale ed un modello bidimensionale. Il modello zero-dimensionale è stato usato per stimare la composizione iniziale del gas nel cilindro quando la valvola di aspirazione è chiusa (-117 P.M.S.). Esso è basato sulla risoluzione delle ordinarie equazioni di conservazione della massa, dell energia e delle specie chimiche, a cui si affiancano l equazione di stato dei gas e l espressione dell energia termica. Il set di equazioni, per un totale di 4+N equazioni (N = numero di specie chimiche presenti) consente, quindi, di conoscere i valori per la massa, l energia, la temperatura e la frazione in massa delle specie chimiche, nell istante in cui la valvola di aspirazione si chiude. Il modello bidimensionale è stato utilizzato per descrivere il campo di flusso e la combustione in un prefissato intervallo di angolo di manovella (-117 P.M.S +25 P.M.S.), e cioè quando le valvole sono chiuse. Il modello è basato sull equazione di conservazione della massa, delle specie chimiche, della quantità di moto e dell energia, e sfrutta i risultati dello studio zero-dimensionale, per assegnare le condizioni iniziali di calcolo allo studio 2-D. 10

22 CAPITOLO 1 Il sottomodello per lo studio della conversione delle specie chimiche è basato sulla risoluzione della seguente equazione: ρ = ( ρ ρ ) / τ i i i c dove ρi è il valore locale ed istantaneo della densità parziale della generica specie i, all equilibrio termodinamico. La grandezza τ c è il tempo caratteristico per il raggiungimento della condizione di equilibrio della specie. Tale parametro è definito dalla somma del tempo di conversione laminare τ l e del tempo di miscelamento turbolento τ t : τ = τ + τ. c l t Il sottomodello di turbolenza (k-ε) è basato sulla risoluzione delle note equazioni nelle due variabili k ed ε. I valori iniziali di tali grandezze sono definiti dagli autori secondo le seguenti espressioni [15]: k ( v rpm) = η ε = ( η rpm 0 v ) in cui η v rappresenta l efficienza volumetrica. La soluzione del modello computazionale è ottenuta mediante processo iterativo implicito sulla pressione. I risultati del modello numerico, sviluppato dagli autori, sono confrontabili con le rispettive misure sperimentali (curve di pressione, efficienza volumetrica, curva di rilascio del calore), confermando la validità computazionale delle ipotesi formulate e dello stesso modello computazionale. Bianchi et al. [16] hanno studiato la modellizzazione di un motore ad accensione comandata ad elevate prestazioni (tabella 1.3) mediante il codice commerciale CRI- Turbokiva 2.2, sviluppato da Cray Research a partire dal solutore Kiva-3. 11

23 CAPITOLO 1 Tabella 1.3 Caratteristiche geometriche del motore Numero di cilindri 12 a V di 65 Camera di combustione Alesaggio Corsa A tetto 88.0 mm 75.0 mm Rapporto di compressione 10.6:1 Numero valvole di aspirazione 2 Diametro valvole aspirazione Alza massima valvole Fasatura 32.0 mm 9.2 mm Apertura : 43 BTDC Chiusura : 91 BTDC L attenzione rivolta alla fase di combustione allo scopo di ottenere uno sviluppo del fronte di fiamma stabile e regolare in tutte le condizioni di funzionamento, ha indotto gli autori ad un attento studio dei moti turbolenti organizzati di tumble e di swirl (fig. 1.7). Figura 1.7 Moti turbolenti organizzati: tumble e tumble+swirl Il modello di turbolenza utilizzato è il modello k-ε standard (per la chiusura del sistema di equazioni che governa il flusso reattivo turbolento) e la modellizzazione del flusso nello strato limite si avvale dell impiego di una funzione di parete con profilo logaritmico di velocità (funzione di Bessel). 12

24 CAPITOLO 1 Lo studio numerico è stato condotto escludendo dal calcolo le fasi di aspirazione e di scarico, cioè studiando l evoluzione dello stato termofluidodinamico della miscela reattiva turbolenta, a valvole chiuse. Altra condizione di calcolo imposta dagli autori è l uniformità, su tutto il dominio, dei valori iniziali di pressione, temperatura, rapporto di miscela e di energia cinetica turbolenta. La complessità della struttura del campo di moto iniziale, messa in evidenza sia da misure sperimentali che da studi numerici sulla fase di aspirazione, ha indotto all assegnazione di un campo di moto iniziale medio, ottenuto dalla sovrapposizione di un vortice di tumble ed uno di swirl. Per migliorare la capacità predittiva del modello di calcolo, è stato impiegato il codice STAR-CD che ha consentito di calcolare con maggiore affidabilità il rapporto iniziale di tumble, mediante la simulazione della fase di aspirazione del motore. La velocità di reazione R, valutata considerando una reazione cinetica irreversibile ad un solo passo, è stata calcolata con un modello di combustione ibrido: R = F min( R c, R ) Il modello computazionale è stato testato e validato relativamente a due condizioni di funzionamento del motore (tabella 1.4); questo ha consentito, in un secondo momento, di condurre uno studio parametrico sull influenza dei moti organizzati di swirl e di tumble sulle grandezze motoristiche di interesse. Dallo studio è emerso che l incremento del rapporto di tumble (IT), e quindi dell intensità di turbolenza in camera di combustione, comporta un incremento della velocità di combustione e un incremento della PMI (figure 1.8, 1.9); tuttavia nello t 1 1 Rc = velocità di reazione secondo il modello cinetico, R t = velocità di reazione secondo un modello turbolento, F = funzione di smorzamento (F < 1 in celle di parete). 13

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