Algoritmo per la valutazione della legge di rilascio del calore a partire dal segnale di pressione Parte 1

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Vittore Ventura
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1 Algoritmo per la valutazione della legge di rilascio del calore a partire dal segnale di pressione Parte Ciclo (diagramma) indicato 2. Rilievo sperimentale del ciclo indicato Definizione della legge di rilascio calore 4. Utilità dell analisi della legge di rilascio calore 5. Calcolo dello scambio termico nella camera di combustione 6. Calcolo della legge di rilascio calore 7. Confronto tra le leggi di rilascio calore motore ad accensione comandata motore diesel 8. Modelli di simulazione della combustione 1

2 1. Ciclo indicato Ciclo termodinamico ideale Caratteristiche: Macchina ideale, quindi senza perdite fluidodinamiche o per scambio termico attraverso le pareti Fluido motore: gas ideale perfetto con calori specifici e composizione costanti Scarso significato tecnico Serve per la definizione dei principali parametri che influenzano il ciclo termodinamico Ciclo termodinamico limite Caratteristiche: Macchina ideale Fluido motore: gas reale (C p e C v variabili con la temperatura, composizione variabile, calore fornito al fluido attraverso una reazione chimica di combustione completa e in equilibrio chimico; preso in considerazione l effetto della dissociazione dovuto alle elevate temperature nella camera di combustione) Rappresenta il limite tecnologico a cui si può tendere 1. Ciclo indicato Ciclo indicato = ciclo reale, rilevato in condizioni reali di funzionamento. Perdite di calore = i cilindro e la testata sono raffreddati quindi una parte del calore è trasmessa dal fluido alle pareti Combustione non istantanea = nel ciclo reale la combustione richiede un certo tempo Perdite per pompaggio = parzializzazione dell'aria in aspirazione (motori aspirati) Dante Giacosa, Motori Endotermici 2

3 1. Ciclo indicato 7 pressione cilindro (bar) Durata ciclo motore = 72 gradi motore 4 tempi angolo manovella (grd) 1. Ciclo indicato 7 6 A pressione cilindro (bar) angolo manovella (grd) A = aspirazione 3

4 1. Ciclo indicato 7 6 A C pressione cilindro (bar) A = aspirazione C = compressione angolo manovella (grd) 1. Ciclo indicato 7 CO 6 A C pressione cilindro (bar) A = aspirazione C = compressione CO = combustione angolo manovella (grd) 4

5 1. Ciclo indicato 7 CO 6 A C E pressione cilindro (bar) A = aspirazione C = compressione CO = combustione E = espansione angolo manovella (grd) 1. Ciclo indicato 7 CO 6 A C E S pressione cilindro (bar) A = aspirazione C = compressione CO = combustione E = espansione S = scarico angolo manovella (grd) 5

6 2. Rilievo sperimentale del ciclo indicato Sensore di pressione Sensore di posizione angolare 2. Rilievo sperimentale del ciclo indicato sensore pressione Sensore pressione Spazio raffreddamento Tubo protettivo Canale di collegamento Camera di combustione 6

2. Rilievo sperimentale del ciclo indicato sensore pressione Sensore piezoelettrico: funzionamento basato su un segnale generato dall azione della pressione su un cristallo piezoelettrico (ad esempio

7 2. Rilievo sperimentale del ciclo indicato sensore pressione Sensore piezoelettrico: funzionamento basato su un segnale generato dall azione della pressione su un cristallo piezoelettrico (ad esempio quarzo). p 2. Rilievo sperimentale del ciclo indicato sensore pressione Sensore piezoelettrico: funzionamento basato su un segnale generato dall azione della pressione su un cristallo piezoelettrico (ad esempio quarzo). Sensore raffreddato p 7

8 2. Rilievo sperimentale del ciclo indicato.8 esempio segnale pressione segnale pressione [V] campioni [-] Variabilità della combustione (p max ) segnale pressione [V] campioni [-] 16 8

9 segnale pressione [V] Rumore del segnale acquisito campioni [-] segnale pressione [V] Deriva del segnale acquisito (funzionamento del sensore) campioni [-] 18 9

10 Motori ad accensione comandata: sensore integrato nella candela Sensore integrato nel glow-plug (candeletta) 2. Rilievo sperimentale del ciclo indicato sensore posizione angolare Sensore ottico fissato sull albero motore 1

11 2. Rilievo sperimentale del ciclo indicato sensore posizione angolare 2. Definizione della legge di rilascio calore Ciclo indicato: p = f(v) p = f(α), α = angolo di manovella 72 Legge di rilascio calore: dq/, la variazione del calore rilasciato, durante la fase di combustione, con l angolo di manovella (α = limitato alla fase di combustione) ξ = m cα /m c, la massa di combustibile bruciata fino al momento α (m cα ), rapportata alla massa totale di combustibile (m c ) 11

12 3. Utilità dell analisi della legge di rilascio calore a) Perché dobbiamo determinare la legge di rilascio del calore? b) Non è sufficiente l analisi del segnale di pressione? p cilindro (bar) 7 3 dp p MAX 6 2 MAX α pmax angolo manovella (grd) deriv. p cilindro (bar/grd) Segnale di pressione: a) Valore massimo della pressione b) Angolo che corrisponde al valore massimo c) Valore massimo della derivata p cilindro (bar) 7 3 dp p MAX 6 2 MAX α pmax angolo manovella (grd) deriv. p cilindro (bar/grd) 12

13 Segnale di pressione: d) Pressione media indicata V 1 V 2 31/3/6 MCI calcolo della legge di rilasico del calore 3. Utilità dell analisi della legge di rilascio calore Però a) Dove inizia la combustione? b) Dove finisce? c) Quanto abbiamo bruciato? d) Come evolve la combustione? Legge di rilascio del calore (heat release - HR) 13

3. Utilità dell analisi della legge di rilascio calore Legge di rilascio del calore = variazione nel tempo dell energia rilasciata durante la fase di combustione angolo manovella J/grd Come possiamo

14 3. Utilità dell analisi della legge di rilascio calore Legge di rilascio del calore = variazione nel tempo dell energia rilasciata durante la fase di combustione angolo manovella J/grd Come possiamo determinare la legge? 4. Calcolo della legge di rilascio calore (modello mono zona, zero dimensionale) Equazione di bilancio energetico: dqcomb dqw = du + dl + hdm Calore rilasciato dalla combustione 2. Calore scambiato con le pareti 3. Variazione dell energia interna 4. Lavoro meccanico 5. Perdite di entalpia (blow-by) 14

15 4. Calcolo della legge di rilascio calore dq W hdm dq COMB x p (a) dqcomb dqw = du + dl + hdm Sistema chiuso D S dq dqw du = + COMB + α = angolo di manovella dl l a r 4. Calcolo della legge di rilascio calore dq COMB dmc = H I dq dqw du = + COMB + Frazione di combustibile consumata per ogni step angolare [kg/grd] Potere calorifico inferiore del combustibile [J/kg] dl ξ = mc α m C Massa di combustibile consumata fino al momento α Massa totale di combustibile iniettata in un ciclo dq COMB = dξ m C H I 15

16 4. Calcolo della legge di rilascio calore du d dt = m cv α dq Massa miscela = aria + combustibile [kg] (consumata in un ciclo) Variazione della temperatura [K/grd] dqw du = + COMB + dl Calore specifico della miscela [J/kgK] dqw = k S ( T T ) W dτ In quanto tempo l albero motore a percorso l angolo = f(velocità) 4. Calcolo della legge di rilascio calore dq dqw du = + COMB +??? Temperatura nella camera di combustione [K] dl dq W = k S ( T T ) W dτ Temperatura della parete [K] Superficie di scambio di calore [m 2 ] k = coefficiente di scambio convettivo [W/m2K] valutazione (realistica) difficile!!! 16

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