FACOLTÀ DI INGEGNERIA DI MODENA

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1 UNIVERSITÀ DEGLI S TUDI DI M O DENA E REGGIO EMILIA FACOLTÀ DI INGEGNERIA DI MODENA CORSO DI LAUREA IN INGEGNERIA MECCANICA ANALISI MULTIFASE-EULERIANA DI UN INIETTORE MULTIFORO PER MOTORI GDI RELATORE: DOTT. ING. STEFANO FONTANESI TESI DI LAUREA DI: STEFANO PICCININI CORRELATORI: DOTT. ING. SIMONE MALAGUTI ANNO ACCADEMICO

2 Introduzione Introduzione Il mercato dell automobile si divide in due grandi categorie per quanto riguarda la tipologia dei motori adottati: da una parte i motori ad accensione per compressione (o ad accensione spontanea, AC) e dall altra i motori ad accensione a scintilla (o ad accensione comandata, AS). Negli ultimi anni i primi sono stati soggetti a numerosi sviluppi che si sono conclusi con l adozione dell iniezione diretta tramite sistemi common-rail: grazie a questo e ad altri miglioramenti, grazie all assenza della valvola a farfalla e grazie ad un più elevato rapporto di compressione, i motori diesel hanno incrementato il loro rendimento distaccando ulteriormente il rivale a ciclo otto. In compenso, la recente disponibilità di raffinati sistemi di iniezione benzina a basso costo ha rinnovato l interesse, da parte di molte case automobilistiche, verso l adozione dell iniezione diretta nei motori ad accensione comandata (GDI, Gasoline Direct Injecton). Il principale obiettivo che si vuole raggiungere adottando il sistema GDI è di eliminare ai carichi parziali l uso della valvola a farfalla ed effettuare la regolazione del carico variando la quantità di combustibile iniettata per ciclo. Questo sviluppo, assieme ad un più efficace sfruttamento dell aria aspirata e ad una più elevata potenza specifica, permetterebbe al motore a ciclo otto di competere in termini di rendimento termodinamico con il motore diesel. L adozione dei sistemi ad iniezione diretta introduce una notevole serie di vantaggi che si traducono in una riduzione dei consumi e degli inquinanti il tutto grazie ad una maggiore precisione nella dosatura del combustibile, ad un migliore riempimento dei cilindri e alla possibilità di utilizzare molteplici strategie di iniezione. Una possibilità offerta dai motori GDI, infatti, è proprio quella di adottare differenti strategie in relazione al carico del motore. L adozione dell iniezione diretta comporta dunque lo sviluppo di una tipologia di iniettori in grado di soddisfare le richieste inerenti alle varie strategie di funzionamento.: l iniettore deve essere in grado di creare uno spray che, in tutte le condizioni di funzionamento, produca una forte polverizzazione del combustibile per evitare la formazione di idrocarburi incombusti. Il ridotto tempo a disposizione per l evaporazione e la miscelazione richiede, infatti, un diametro medio delle gocce del combustibile con un ordine di grandezza inferiore rispetto agli iniettori tradizionali: da un valore di 200µm a uno di 20µm. iv

3 Introduzione La tipologia di iniettori più adatta si è rivelata quella che realizza una struttura a cono cavo dello spray, con un grande angolo di apertura permettendo quindi di inglobare un elevata quantità d aria al suo interno. La guida dello spray, in genere, è affidata o a moti della carica che si realizzano grazie alla conformazione dei condotti di aspirazione oppure attraverso una cavità ricavata sul cielo del pistone. Oggi, il progettista ha a disposizione strumenti di calcolo altamente evoluti che hanno permesso un analisi del dettaglio del processo di iniezione, il vero cuore del sistema GDI. Grazie alla simulazione virtuale CFD (Computational Fluid Dynamics) e alla notevole massa di informazioni che essa è in grado di produrre, si è ora in grado di riprodurre per via numerica il fenomeno fisico in maniera anche molto dettagliata, permettendone una analisi che in certi casi può dare spunto per successivi miglioramenti o nuove strategie. Si consideri inoltre che la fase di progettazione di un motore si fonda sempre su modelli, dati ed esperienze precedenti e quindi, in un ottica di produzione aziendale, più che di progettazione spesso si può parlare d ottimizzazione. In tal senso si può comprendere come le simulazioni CFD possono avere un ruolo fondamentale nell individuazione e nel confronto di nuove strategie senza che le aziende debbano utilizzare importanti risorse nella realizzazione di modelli reali. Se dunque l iniettore può essere considerato la chiave di svolta per una riscoperta del motore ad iniezione diretta, si rende allora necessario comprendere sempre meglio quelli che sono i fenomeni che governano il processo stesso di iniezione. La simulazione CFD al calcolatore sembra allora il metodo migliore per iniziare a comprendere fisicamente il comportamento del sistema di iniezione e in questa tesi si cerca di indagare appunto quale che sia la metodologia migliore per effettuare questo tipo di analisi. Non si ha certo la pretesa di esaurire completamente l argomento, ma piuttosto di fornire gli spunti per ricerche e sviluppi futuri: una base di partenza per simulazioni più mirate allo studio in differenti condizioni di iniezione data anche la quasi totale mancanza di letteratura a riguardo. v

4 Capitolo Breve storia dei sistemi di iniezione diretta La storia dei sistemi di iniezione diretta di benzina comincia nella prima metà del secolo scorso e viene sviluppata soprattutto a cavallo della seconda guerra mondiale. Come spesso accade lo stimolo verso l innovazione nasce da nuove esigenze, come la possibilità di garantire una corretta alimentazione di carburante in tutte le condizioni di volo nel campo dell aviazione oppure per migliorare le prestazioni dei motori in campo automobilistico aumentandone la potenza specifica. Furono i tedeschi in collaborazione con la Bosch a sviluppare per primi i sistemi ad iniezione diretta per velivoli militari mentre gli americani introdussero un sistema con carburatore a iniezione indiretta: entrambi i sistemi garantivano la corretta alimentazione in tutti gli assetti di volo e non presentavano rischio di formazione di ghiaccio in prossimità della valvola a farfalla ma alcuni vantaggi erano propri solamente dell alimentazione ad iniezione diretta: il fenomeno della detonazione subiva una drastica riduzione e la distribuzione della carica nei cilindri risultava più uniforme. Nacquero così velivoli che hanno scritto la storia dell aviazione come il Messerschmitt Me (Bf) 109 G-6 equipaggiato con il motore Daimler Benz DB 605 A dotato di iniezione diretta Bosch. Fig Motore Daimler Benz DB 605 A 1

5 Fig Motore Daaimler Benz DB 605 A Sempre i tedeschi negli anni 50 introdussero nelle competizioni automobilistiche l iniezione diretta di benzina, in particolare su una vettura da Formula 1, la Mercedes W196: nonostante il sistema Bosch fosse ti tipo meccanico, dunque nemmeno lontanamente paragonabile ai moderni sistemi di iniezione diretta, non v è dubbio che esso contribuì in modo sostanziale a rendere tali macchine vincenti. Successivamente, come spesso anche oggi accade, dalle competizioni l idea dell iniezione diretta di combustibile fu introdotta nel settore delle automobili di serie: nacque così nel 1956 la celeberrima Mercedes 300SL detta ali di gabbiano per l apertura delle sue porte con un meccanismo ad ala. Per garantire l elevato valore della pressione di iniezione necessario ad azionare gli iniettori il sistema era dotato di una pompa in linea con sei pompanti simile a quella utilizzata nei propulsori a ciclo Diesel con un rail comune a tutti gli iniettori (dettaglio in figura 1.1.4). Fig Mercedes 300SL del

6 Fig Dettaglio del rail L iniezione diretta di benzina viene però presto abbandonata e sostituita da quella indiretta: oltre ad essere per l epoca estremamente costosa dava infatti luogo a diversi problemi. Primo fra tutti la difficoltà di iniettare direttamente il combustibile nel cilindro raggiungendo gli elevati valori di pressione necessari dovuto soprattutto alle scarse proprietà lubrificanti della benzina (lo stesso problema non si presenta iniettando gasolio); inoltre tali sistemi erano in grado di fornire elevate potenze ma avevano il difetto di rendere ruvido e poco elastico il funzionamento del propulsore che poteva anche presentare problemi di lubrificazione. Il getto di combustibile iniettato direttamente all interno della camera di combustione impattando contro le pareti del cilindro dilavava infatti il sottile film di lubrificante presente: ciò portava ad una rapida usura dello stesso e a possibili grippaggi. Negli ultimi anni, per via delle sempre più stringenti limitazioni sugli inquinanti emessi dalle autovetture e per la ricerca di più elevati rendimenti dei propulsori a ciclo Otto, l iniezione diretta di benzina si è riaffacciata sul panorama dei moderni sistemi di alimentazione anche grazie alle infinite possibilità di regolazione offerte dalla moderna elettronica di controllo. Verso la fine degli anni 90 la casa costruttrice giapponese Mitsubishi ha per prima messo a punto un motore basato sul sistema di iniezione GDI (Gasoline Direct Injection) e montato su fuoristrada di grande serie, ma le case costruttrici europee e non solo non hanno tardato a seguire l esempio e troviamo oggi in listino sempre più modelli di vetture equipaggiate con l iniezione diretta di benzina. Vediamo ora un analisi in dettaglio di quali sono i vantaggi e gli svantaggi di questo tipo di iniezione per cercare di comprendere le ragioni della sua riscoperta. 3

7 1.2 Vantaggi dei sistemi di iniezione diretta Per comprendere quali siano i vantaggi dei sistemi GDI (Gasoline Direct Injection) è necessario un confronto con i sistemi tradizionali d iniezione indiretta multipoint denominati per brevità PFI (Port Fuel Injection); non sarebbe corretto un confronto con sistemi single point in quanto caratterizzati da un unico iniettore posizionato a monte dei singoli condotti di aspirazione dei cilindri e comunque ormai in disuso. La sostanziale differenza fra le due soluzioni è il meccanismo che porta alla formazione della miscela: nei tradizionali sistemi multipoint la miscelazione ha inizio nel condotto di aspirazione nel quale si affaccia l iniettore, continua poi nella sezione ristretta di passaggio attraverso la valvola di aspirazione e si completa all interno del cilindro dove si raggiungono, durante la fase di compressione, le condizioni ottimali per l accensione della carica. Nei sistemi GDI, invece, l iniettore si affaccia direttamente nella camera di combustione e lo spray che si genera durante l iniezione penetra nell atmosfera circostante mescolandosi all aria attraverso complessi meccanismi di breakup e di evaporazione (un po come avviene da sempre per i motori a ciclo Diesel). Nella soluzione PFI l iniettore ha il solo compito di dosare la giusta quantità di combustibile e non quella di iniettare ad elevate pressioni, il percorso che il carburante dovrà affrontare ne permetterà l evaporazione. Parte della benzina va a depositarsi sulle pareti fredde del condotto di aspirazione (fenomeno del wall wetting) e pertanto gocce di combustibile si distaccano dalle pareti e vengono trascinate all interno del cilindro: questo fenomeno, specialmente nel funzionamento a freddo, dà origine ad incombusti o richiede un apposito sistema in grado di riscaldare i condotti di aspirazione all avviamento Inoltre, l evaporazione del combustibile, avviene sottraendo il calore latente di evaporazione necessario soprattutto dalla valvola di aspirazione e non dall aria aspirata con conseguenze negative per il coefficiente di riempimento del motore. Infine, per il corretto funzionamento del catalizzatore trivalente e per ottenere una buona accensione, il valore del titolo della miscela aspirata deve essere nell ordine dello stechiometrico, ovvero 14,7 parti di aria su parti di benzina aspirata. Al contrario, nei sistemi GDI, l iniettore ha un compito di primaria importanza per il controllo della combustione: le gocce di combustibile penetrano ad elevata velocità nella camera di combustione ed interagendo can l aria aspirata si frantumano ed evaporano, la qualità dello 4

8 spray generato è di fondamentale importanza per il controllo e lo sviluppo della fase di combustione. Il propulsore GDI è in grado di funzionare sia in regime di carica omogenea, come un classico motore ad iniezione indiretta, sia in regime di carica stratificata e i vantaggi sono evidenti anche nel funzionamento a carica omogenea: in questo caso l evaporazione del combustibile iniettato direttamente all interno del cilindro avviene attraverso la sottrazione di calore all aria aspirata che vede dunque la propria densità aumentare. Il coefficiente di riempimento aumenta con benefici effetti sul rendimento indicato η i e dunque sulla potenza termica: questo permette infatti di innalzare il rapporto di compressione anche fino a 1,6 punti percentuali senza per questo incorrere nel fenomeno della detonazione. La riduzione della temperatura della miscela comporta come già detto un aumento del rendimento e della potenza del motore perché si riduce il fenomeno della dissociazione e aumenta il rapporto γ tra i calori specifici a pressione e volume costante (si ricorda che il rendimento η del ciclo Otto ideale è: η=1-ρ 1-γ, dove ρ rappresenta il rapporto di compressione volumetrico). Il fenomeno della dissociazione è causato dal fatto che alle elevate temperature i prodotti della combustione, come l anidride carbonica e l acqua, non sono stabili, ma tendono a dissociarsi mediante reazioni endotermiche che vanno a diminuire il calore trasformabile in lavoro (assorbendolo). Diminuendo la temperatura media a cui si svolge il ciclo, nel motore GDI, gli equilibri di queste reazioni chimiche sono sempre più spostati verso i reagenti e di conseguenza la perdita di rendimento associata alla dissociazione si riduce. Oltre a questi vantaggi è possibile ridurre ulteriormente i consumi di combustibile e le emissioni allo scarico facendo funzionare, ai carichi medio-bassi, il motore con carica stratificata, cioè con una miscela globalmente povera o molto povera ma che risulta però ricca nelle immediate vicinanze degli elettrodi della candela Il risultato è rappresentato da una combustione stabile anche in presenza di elevati eccessi d aria e i consumi di carburante diminuiscono senza dover rinunciare alle prestazioni del motore. La carica risulta dunque concentrata nell intorno degli elettrodi della candela e tutt attorno si ha un notevole eccesso di aria che funge come da isolante durante la combustione assorbendo calore ed evitando dissipazioni verso l esterno attraverso le pareti del cilindro. Il controllo della carica stratificata è ancora in fase di studio e verrà probabilmente sviluppato nei prossimi anni, sarà così possibile grazie ai moderni controllori elettronici e ad iniettori ad 5

9 elevata pressione regolare il motore ciclo Otto per qualità (e non più per quantità) come accade per i motori ciclo Diesel. Si potrà ovvero arrivare all eliminazione della valvola a farfalla nel condotto di aspirazione che è causa di perdite fluidodinamiche ai bassi carichi e avvicinare così sempre più il rendimento dei motori a ciclo Otto al più elevato rendimento dei motori ciclo Diesel. 1.3 Svantaggi dei sistemi di iniezione indiretta La stessa strategia di funzionamento dei motori GDI lean burns (ovvero con miscele magre e magrissime) è causa di un grande inconveniente: l eccesso di aria produce dei gas di scarico con più elevate concentrazioni di ossidi di azoto, comunemente detti NOx, perché viene impedita la loro riduzione da parte del catalizzatore trivalente che per funzionare necessita infatti di un titolo di ossigeno oscillante attorno al valore stechiometrico. Il meccanismo di formazione degli ossidi di azoto nei motori a carica stratificata è semplice: il titolo nell intorno della candela è ricco e in questo punto si sviluppa dunque una combustione ad elevate temperature che investe i margini della carica aventi un titolo molto più magro: è questa la zona in cui avviene la formazione degli NOx. Una soluzione ampiamente collaudata per ridurre le emissioni di ossidi di azoto consiste nell utilizzare l EGR (Exaus Gas Recirculation): questa tecnica consiste nel ricircolare, attraverso un apposito circuito o in modo naturale, una certa quantità di gas di scarico all interno del cilindro. L effetto che si ottiene è quello di ridurre la temperatura massima ottenibile in camera di combustione e la pressione parziale dell ossigeno, entrambe cause principali della formazione degli NOx. Questa soluzione è efficace fin quando il carico e il regime di rotazione del motore sono bassi e conseguentemente la quantità di ossidi di azoto non è molto rilevante, ma all aumentare del carico e del numero di giri il solo EGR non è più sufficiente per abbattere le emissioni. Per rientrare dunque nelle normative anche in queste condizioni di funzionamento si possono allora adottare due differenti soluzioni: la prima è quella adottata da Alfa Romeo sul motore denominato JTS (Jet Thrust Stoichiometric), appena al di sopra del minimo si rinuncia alla carica povera passando ad un titolo complessivamente stechiometrico, in questo modo è possibile ancora adottare un classico catalizzatore trivalente per trattare i fumi allo scarico. 6

10 Se si vuole invece far funzionare il motore con carica complessivamente povera anche ad un elevato numero di giri e ad un carico più elevati è necessario introdurre un particolare sistema di trattamento dei fumi che sia in grado di ridurre gli NOx anche in presenza di abbondante ossigeno libero: si tratta dei cosiddetti catalizzatori denox. La catena di post trattamento dei gas è composta da un precatalizzatore e da un catalizzatore che contengono metalli nobili quali platino, palladio e rodio e un composto a base di bario, in figura si riporta un esempio adottato sui motori ad iniezione diretta del gruppo PSA. Fig Esempio di catalizzatore denox montato sui propulsori del gruppo PSA Un inconveniente del catalizzatore denox è il cattivo funzionamento in presenza di zolfo che avvelena i metalli nobili presenti fissandoli rendendo il catalizzatore inservibile; purtroppo le benzine normalmente in commercio in Europa hanno un elevato contenuto in zolfo (anche maggiore di 50ppm). È dunque questo il motivo che ha spinto Alfa Romeo a sviluppare il sistema JTS e Renault a sviluppare il sistema IDE che non prevedono un trattamento con catalizzatore denox: per contenere dunque le emissioni nel motore Alfa Romeo si rende necessario il passaggio ad un funzionamento con carica complessivamente stechiometrica già dopo i 1500 giri/min mentre nel motore Renault, per aggirare l ostacolo del catalizzatore specifico, si è rinunciato totalmente alla combustione magra. Tuttavia, prima in paesi come la Germania e poi nel resto del continente europeo, si stanno sempre più diffondendo benzine a basso tenore di zolfo (meno di 10ppm). 7

11 L obiettivo dunque degli studi sull iniezione diretta di benzina è dunque quello di aumentare il range di funzionamento del motore con miscela povera in modo da rendere definitivamente competitiva la soluzione GDI. È poi necessario garantire un passaggio graduale dal funzionamento con miscela povera a quello con miscela complessivamente stechiometrica in modo da rendere gradevole la guida delle vetture dotate di questi propulsori. Negli ultimi anni sono stati fatti notevoli passi in avanti in questa direzione grazie soprattutto all elettronica di controllo ed alla tecnologia degli iniettori. 1.4 Le strategie di funzionamento: la stratificazione della carica L obiettivo che ci si pone a lungo termine è dunque quello di realizzare la regolazione del propulsore benzina ad iniezione diretta controllando solamente la quantità di combustibile iniettata per ciclo eliminando così la valvola a farfalla rappresenterebbe un notevole passo in avanti per i motori ad accensione comandata: in questo modo le differenze fra motori GDI e motori a ciclo Diesel tenderanno sempre più a ridursi da questo punto di vista. Rispetto a questi ultimi però i motori GDI presentano una complicazione superiore. Nel motore a ciclo Diesel è sufficiente iniettare la miscela e portarla nelle condizioni di autoaccensione e la combustione ha inizio nella zona in cui si raggiungono le condizioni necessarie, nei motori GDI, invece, se si vuole funzionare in condizioni di carica stratificata, è necessario indirizzare la parte di miscela con rapporto stechiometrico nelle vicinanze della candela. La posizione fissa della candela richiede allora che la carica venga sempre adeguatamente guidata verso di essa per evitare la non accensione. Ciò richiede la possibilità di controllare la formazione della carica sia spazialmente che temporalmente in modo che la combustione possa essere stabile ed affidabile; una corretta stratificazione si ha soltanto controllando il campo di moto all interno del cilindro nonché l evoluzione temporale dello spray per garantire una corretta combustione anche in presenza di un grande eccesso di aria. I regimi di funzionamento possibili sono dunque: ai carichi elevati o a pieno carico: si realizza l iniezione anticipata in modo da realizzare una miscela omogenea e complessivamente stechiometrica o ricca, la regolazione fine avviene attraverso la valvola a farfalla; 8