Analisi del campo di moto all interno del sistema di aspirazione di motori a combustione interna in condizioni di flusso non stazionario

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1 Progetto di Ricerca Giovani Ricercatori Area CIVR: 09 Ingegneria Industriale e dell Informazione Dipartimento di Meccanica Analisi del campo di moto all interno del sistema di aspirazione di motori a combustione interna in condizioni di flusso non stazionario Gruppo di Ricerca: Ing. Angelo ALGIERI Ing. Alessandra NIGRO Ing. Rocco PICCIONE STATO DELL ARTE La determinazione della distribuzione del flusso all interno del cilindro e nei condotti dei motori a combustione interna è ritenuta il passo fondamentale nella fase di progettazione e di sviluppo dei moderni propulsori [1-2]. Per la produzione di serie si mira alla realizzazione di campi di moto tali da rendere possibili combustioni magre, ad elevata efficienza e basso impatto ambientale, in modo da rispettare le sempre più stringenti regolamentazioni sui gas di scarico [3-4]. Per i motori da competizione lo scopo finale è, invece, il conseguimento di potenze specifiche sempre più elevate. Una volta fissate le caratteristiche termodinamiche dei carburanti e il rendimento di combustione, la portata d aria aspirata dal motore è, infatti, il parametro fondamentale per la massimizzazione delle performance dei propulsori [5-6]. Per la caratterizzazione fluidodinamica dei motori a combustione interna, attualmente, sono adottati sia approcci numerici [7-8] che sperimentali [9-10]. In particolare, negli ultimi anni numerose analisi sperimentali sono state condotte adoperando i coefficienti d efflusso per fornire informazioni sull efficienza fluidodinamica globale del propulsore [11-12], mentre le tecniche di Anemometria Laser Doppler (LDA) e di Velocimetria per Immagini (PIV) sono state adoperate per ricavare dettagliate informazioni sulla distribuzione del flusso [13-14]. Numerose risultano le attività di ricerca condotte in condizioni di flusso stazionario, mentre limitati sono gli studi eseguiti in condizioni di flusso non-stazionario in grado di valutare l influenza degli effetti dinamici sulle prestazioni dei moderni propulsori [15-16]. Scopo del progetto, pertanto, è di contribuire all approfondimento della conoscenza e dell influenza dei fenomeni instazionari sui moderni motori. PROGETTO DI RICERCA Il progetto di ricerca si pone l obiettivo di caratterizzare sperimentalmente il campo di moto presente all interno del sistema di aspirazione di nuovi motori a combustione interna e di valutare la dipendenza della distribuzione del flusso dalle condizioni operative dei propulsori. In particolare, l attenzione sarà rivolta allo studio della fase di aspirazione, vista la notevole influenza esercitata sulle prestazioni e sull efficienza. L indagine verrà condotta in condizioni di flusso non stazionario allo scopo di consentire una completa comprensione dei fenomeni fluidodinamici generantesi nei motori reali, di approfondire la conoscenza di alcuni componenti del sistema motore attualmente 1

2 poco studiati e di consentire la validazione di nuovi codici e modelli multidimensionali per la predizione del comportamento fluidodinamico ed aeroacustico di nuovi propulsori. L attività di ricerca consentirà di valutare l importanza degli effetti dinamici sulle prestazioni dei motori e di correlare i risultati conseguiti in condizioni di flusso nonstazionario con i risultati di precedenti analisi condotte in condizioni stazionarie. Il progetto rappresenta, infatti, l evoluzione di alcune attività di ricerca svolte precedentemente, in condizioni di flusso stazionario, in collaborazione con la Ferrari Gestione Sportiva, la Ducati Motor ed Elasis (Centro Ricerche Fiat per il Mezzogiorno), i cui principali risultati sono sintetizzati nelle seguenti pubblicazioni: I. Algieri A., Amelio M., Bova S., Global and LDA Steady Flow Measurements in two High-Performance I.C.E. Head Configurations, in Proc. of 5 th International Conference on Internal Combustion Engines - ICE2001, Capri settembre 2001, SAE_NA paper , pp , Istituto Motori - CNR & SAE_NA Group, Napoli, II. Algieri A., Amelio M., Bova S., De Bartolo C., Influence of the Seeding Characteristics on LDA Measurements at the Intake Entrance of an ICE, in Proc. of 6 th International Conference on Engines for Automobile - ICE2003, ISBN , SAE_NA paper , Istituto Motori - CNR & SAE_NA Section, Napoli, III. Algieri A., Amelio M., Bova S., De Bartolo C., Influenza delle caratteristiche del seeding in rilievi LDA del flusso all ingresso del condotto di aspirazione di un MCI, in Atti del 58 Congresso Nazionale Associazione Termotecnica Italiana ATI 2003, 9-12 settembre, vol. 2, pp , SGE, Padova, IV. Algieri A., Bova S., Influence of Valve-Wall Distance on the Intake Flow in High Performance I.C.E., SAE Fuels & Lubricants Meeting & Exhibition, Toulouse (Francia), 8-10 giugno 2004, SAE paper e in SAE Book Direct Fuel Injection, Engine Diagnostics, and New Developments in Powertrain Tribology, CVT, ATF & Fuel Economy - SAE Special Pubblication 1891, SAE International, Warrendale, V. Algieri A., Bova S., Influenza dell alzo-valvola sull efficienza fluidodinamica e sulla distribuzione del flusso lungo la periferia delle valvole di aspirazione di MCI ad elevate prestazioni, in Atti dell VIII Congresso MIS-MAC, Firenze, 28 maggio, VI. Algieri A., Bova S., Carrera M. A., Cugnetto R., De Bartolo C., Sala A., Analisi fluidodinamica della fase di aspirazione di un motore motociclistico mediante analisi globale e tecnica LDA, in Atti del 59 Congresso ATI Generazione di ENergia e conservazione dell Ambiente GENOVA 2004, ISBN , vol. 2, pp , SGE, Padova, VII. Algieri A., Rilievi LDA e correlazione con misure di swirl in un motore a combustione interna ad elevate prestazioni, in Atti dell XII Convegno Nazionale A.I.VE.LA. - Associazione Italiana di VElocimetria LAser e diagnostica non invasiva, Napoli, novembre, VIII. Algieri A., Bova S., De Bartolo C., Experimental and Numerical Investigation on the Effects of the Seeding Properties on LDA Measurements, ASME Journal of Fluids Engineering, Vol. 127 (3), pp , IX. Algieri A., Bova S., De Bartolo C., Global Flow Characterization of a Four Cylinder Spark Ignition Engine During the Intake Phase, SAE Technical Paper n , SAE International X. Algieri A., Bova S., De Bartolo C., Influence of Valve-Lift and Throttle Angle on the Intake Process in High Performance Motorcycle Engine, Journal of Engineering for Gas Turbine and Power, Vol. 128 (3), APPARATO SPERIMENTALE L attività di ricerca verrà condotta al banco di flussaggio, allestito presso il laboratorio di Motori a Combustione Interna dell Università della Calabria (Figura 1), adoperando la tecnica di Anemometria Laser Doppler (LDA). Il banco è costituito essenzialmente da un ventilatore (1) per la generazione del flusso attraverso i condotti di aspirazione (2) e nella camera di combustione (3) del motore da studiare e da una valvola di by-pass (4) per la parzializzazione del flusso stesso. Per la misura globale della portata, necessaria per valutare l efficienza volumetrica, il banco è integrato dalla presenza di un flussometro V-Cone (5), di misuratori di pressione (6) e temperatura, 2

3 con portate che possono essere variate fra 40 e 600 m 3 /h, mentre la differenza di pressione fra ambiente e cilindro può giungere fino a 10 kpa. Il sistema, oltre alla misura globale della portata ed alla valutazione dei coefficienti d efflusso, consente rilievi puntuali di velocità per mezzo della tecnica di Anemometria Laser Doppler. Il sistema LDA è del tipo ad un colore (ossia capace di misurare una componente di velocità alla volta) con configurazione in back scattering. Il laser è del tipo a ioni di Argon con una potenza installata di 2W, con trasmissione del segnale luminoso mediante fibre ottiche. I segnali ottenuti sono successivamente analizzati dall analizzatore di spettro BSA (Burst Spectrum Analyser) nel dominio delle frequenze, ottenendo quindi l informazione anemometrica desiderata. L analizzatore è collegato ad un personal computer per la registrazione e l analisi dei dati. Allo scopo di consentire l analisi fluidodinamica in condizioni non stazionarie il banco sarà integrato con un motore elettrico asincrono trifase (con relativo sistema di azionamento, regolazione e controllo) per la movimentazione delle valvole e con un encoder optoelettronico per la sincronizzazione dei rilievi anemometrici con il moto dell albero a camme. Figura 1 - Banco di flussaggio Unical DURATA DEL PROGETTO Il progetto avrà durata annuale e sarà suddiviso in due fasi. Nei primi due mesi si provvederà all aggiornamento ed alla messa a punto del banco di flussaggio esistente, allo scopo di consentire le analisi fluidodinamiche programmate. Nella fase successiva si provvederà alla determinazione sperimentale del campo di moto presente all interno del sistema di aspirazione di nuovi motori a combustione interna in condizioni di flusso non stazionario ed alla sistematica analisi dei risultati conseguiti. RISULTATI ATTESI Si ritiene che la ricerca possa fornire un contributo interessante allo studio ed allo sviluppo dei moderni propulsori e che i risultati ottenuti siano idonei alla pubblicazione su riviste internazionali e nazionali nonché alla presentazione in congressi. 3

4 BIBLIOGRAFIA 1. Heywood, J. B., 1998, Internal Combustion Engine Fundamentals, Mc Graw Hill, New York. 2. Zhijun, W., and Zhen, H., 2001, In-Cylinder Swirl Formation Process In Four-Valve Diesel Engine, Experiments in Fluids, 31, pp Auriemma, M., Corcione, F. E., Diana, S., Police, G., Valentino, G. (2001), Investigation of the Intake Tumble Flow in a Prototype GDI Engine Using a Steady State Test Rig, SAE_NA Technical Paper Series n Li, Y., Zhao, H., Leach, B., Ma, T., Ladommatos, N., 2003, Optimization of In-Cylinder Flow for Fuel Stratification in a Three-Valve Twin-Spark-Plug SI Engine, SAE Paper Pignone, G. A., and Vercelli U. R., 2003, Motori ad alta potenza specifica, Giorgio Nada Editore, Milano. 6. Algieri A., and Bova, S., 2004, Influence of Valve-Wall Distance on the Intake Flow in High Performance I.C.E., SAE paper , Direct Fuel Injection, Engine Diagnostics, and New Developments in Powertrain Tribology, CVT, ATF & Fuel Economy, SAE Special Publication SP Bianchi, G. M., and Fontanesi S., 2003, On the Applications of Low-Reynolds Cubic k-ε Turbulence Models in 3D Simulations of ICE Intake Flows, SAE paper Jasak, H., Luo, J. Y., Kaludercic, B., Gosman, A. D., Echtle, H., Liang, Z., Wirbeleit, F., Wierse, M., Rips, S., Werner, A., Fernstrom, G., Karlsson, H., 1999, Rapid CFD Simulation of Internal Combustion Engines, SAE paper Xu, H. 2001, Some Critical Technical Issues on the Steady Flow Testing of Cylinder Heads, SAE paper Kang, K. Y., and Baek, J. H., 1995, LDV Measurement and Analysis of Tumble Formation and Decay in a Four-Valve Engine, Experimental Thermal and Fluid Science, 11, pp Bohac, S. V., and Landfahrer, K., 1999, Effects of Pulsating Flow on Exhaust Port Flow Coefficients, SAE paper Blair, G. P., McBurney, D., McDonald, P., McKernan, P., Fleck, R., 1998, Some Fundamental Aspects of the Discharge Coefficients of cylinder Porting and ducting Restrictions, SAE paper Chan, V. S. S., and Turner, J. T., 2000, Velocity measurement inside a motored internal combustion engine using three-component laser Doppler anemometry, Optics & Laser Technology, 32, pp Bevan, K. E., and Ghandhi, J. B., 2004, PIV Measurements of In-Cylinder Flow in a Four-Stroke Utility Engine and Correlation with Steady Flow Results, SAE paper Ohm, I. Y., and Cho, Y. S., 2000, Mechanism of Axial Stratification and Its Effect in an SI Engine, SAE paper Stier, B., and Koochesfahani, M. M., 1999, Molecular Tagging Velocimetry (MTV) measurements in gas phase flows, Experiments in Fluids, 26, pp Ing. Angelo Algieri VISTO Il Direttore del Dipartimento di Meccanica (Prof. Ing. Gaetano FLORIO) 4

5 Progetto di Ricerca Giovani Ricercatori Area CIVR: 09 Ingegneria Industriale e dell Informazione Dipartimento di Meccanica Analisi del campo di moto all interno del sistema di aspirazione di motori a combustione interna in condizioni di flusso non stazionario Gruppo di Ricerca: Ing. Angelo ALGIERI Ing. Alessandra NIGRO Ing. Rocco PICCIONE PIANO DI SPESA Allo scopo di consentire l analisi fluidodinamica in condizioni di flusso non stazionario, il progetto prevede l acquisto di un motore elettrico asincrono trifase (e del relativo sistema di azionamento, regolazione e controllo) per la movimentazione delle valvole e di un encoder optoelettronico per la sincronizzazione dei rilievi anemometrici con il moto dell albero a camme. Nei costi del progetto rientrano anche le spese di missione strettamente collegate all attività di ricerca. Voce di spesa Importo 1. Aggiornamento e strumentazione del banco di flussaggio esistente euro 2. Missioni euro Totale spesa euro Ing. Angelo Algieri 5