UNIVERSITÀ DEGLI STUDI DI ROMA TOR VERGATA Facoltà d Ingegneria Corso di di Laurea in in Meccanica SIMULAZIONE DELLO SPRAY IN MOTORI DIESEL AD INIEZIONE DIRETTA Relatore Ing. Ing. Gino Bella Laureando Salvatore Iaconis Correlatore Ing. Ing. Rossella Rotondi
IL IL MOTORE DIESEL INIETTORE ARIA ASPIRATA VALVOLA DI SCARICO VALVOLA DI ASPIRAZIONE BOWL Sezione trasversale di una camera di combustione di un moderno propulsore Diesel
IL IL MOTORE DIESEL Le caratteristiche Elevato rapporto peso potenza Regimi di di rotazione medio bassi Ruvidezza della combustione Miglior rendimento globale Migliore funzione rendimento carico Elevati rapporti di compressione Bassa potenza specifica Elevata massa degli organi in moto alteno Innesco di vibrazioni della struttura Rumorosità Elevati rapporti di compressione Decremento meno rapido del rendimento al dimunuire del carico Tipologia d impiego Campo delle potenze medio alte, solo nel passato recente nel campo delle basse potenze
LO SPRAY NEI MOTORI DIESEL Definizione Break up up Evaporazione Complesso di fenomeni a carattere particellare, generati dall immissione di un getto liquido in ambiente gassoso Instabilità del getto liquido dovuta all interazione aerodinamica liquido gas, conseguenza dell azione delle forze viscose in corrispondenza dell interfaccia tra le due fasi Passaggio di stato delle gocce di combustibile situate in zone ove regnano condizioni termodinamiche favorevoli Lo Lo spray La La combustione Gli Gli inquinanti Caratteristiche Il Il p p inj inj Elevate pressioni d iniezione garantiscono: fortissima riduzione del tempo di break up, frammentazione istantanea del getto liquido, favorevole distribuzione del rapporto aria combustibile, maggior efficienza di combustione, minore formazione d inquinanti, maggior rendimento globale
OBIETTIVO DELLA TESI Analisi combinata numerico sperimentale dello spray nelle condizioni di funzionamento tipiche dei moderni propulsori diesel Con l intento di di saggiare le le potenzialità del del modello numerico, sono state eseguite una serie di di simulazioni d iniezione in in camera calma; sono state fatte oggetto di di valutazione le le seguenti caratteristiche: robustezza del del codice numerico rispetto alla variazione di di parametri d interesse, doti di di simulazione nel nel campo delle basse pressioni d iniezione, tipicamente 70 70 400 bar, doti di di simulazione nel nel campo delle alte pressioni d iniezione, tipicamente 1200 bar, (Common Rail).
IL IL CODICE NUMERICO KIVAIII Modello di simulazione multidimensionale in grado di replicare il i comportamento di fluidi costituiti da miscele di gas ideali, chimicamente reagenti, evaporanti, in presenza di turbolenza, in condizioni di non stazionarietà di moto, ed evolventi sotto forma a di spray EQUAZIONI DI DI GOVERNO DELLA FASE FLUIDA Equazione di di continuità Equazione di di conservazione della quantità di di moto Equazione di di conservazione dell energia interna Equazione della turbolenza, (modello k ξ) ξ) Relazioni di di stato e reazioni chimiche EQUAZIONI DI DI GOVERNO DELLO SPRAY Funzioni di di distribuzione di di probabilità f=f(x,y,z,u,v,w,r,t,y,dy/dt,t) Metodi a particelle discrete, (modello Monte Carlo)
VALUTAZIONE DELLA ROBUSTEZZA Valutazione della robustezza del del modello numerico rispetto alla alla variazione di di una una serie di di parametri d interesse, quali: volume medio di di controllo caratteristico della griglia, angolo d iniezione, numero di di pacchetti iniettati. Caratteristiche d interesse dei dei getti getti liquidi: morfologia, penetrazione, campo di di moto. Caratteristiche del del test: test: griglia con con celle celle cubiche, iniezione di di pacchetti aventi gocce di di uguale raggio, assenza di di break up. up.
Griglia di passo 3mm Analisi della morfologia e del del campo di di moto dei dei getti getti La grandezza rappresentata è la velocità relativa pacchetto griglia [relvel] Griglia di passo 2mm Griglia di passo 1.5mm La morfologia dei getti ed il campo di moto variano notevolmente al variare del passo della griglia e dell angolo d iniezione Griglia di passo 1mm I parametri d interesse del test sono il passo della griglia e angolo d iniezione
Griglia di passo 3mm Analisi della morfologia e del del campo di di moto dei dei getti getti La grandezza rappresentata è la componente della velocità del pacchetto lungo l asse del getto [wnw] Griglia di passo 2mm Griglia di passo 1.5mm La morfologia dei getti ed il campo di moto variano notevolmente al variare del passo della griglia e dell angolo d iniezione Griglia di passo 1mm I parametri d interesse del test sono il passo della griglia e angolo d iniezione
Misura dell asimmetria del del campo di di moto dei dei getti getti generati con con il il modello numerico originale Differenza mediamente trascurabile tra le velocità relative di α e β Differenza mediamente molto evidente tra le velocità relative di α e β Differenza mediamente trascurabile tra le velocità relative di α e β Differenza mediamente molto evidente tra le velocità relative di α e β
Misura della sensibilità del del modello numerico originale rispetto alla alla variazione della griglia e dell angolo d iniezione Elevata sensibilità rispetto alla variazione del passo della griglia [%] Elevata sensibilità rispetto alla variazione del passo della griglia [%] Elevata sensibilità rispetto alla variazione dell angolo d iniezione [%] Elevata sensibilità rispetto alla variazione dell angolo d iniezione [%]
L EQUAZIONE DI DI CONSERVAZIONE DELLA QUANTITÀ DI DI MOTO NEL MODELLO NUMERICO ORIGINALE IL NUOVO MODELLO NUMERICO L UTILIZZO DELLE FUNZIONI DI FORMA
Griglia di passo 3mm Analisi della morfologia e del del campo di di moto dei dei getti getti La grandezza rappresentata è la velocità relativa pacchetto griglia [relvel] Griglia di passo 2mm Griglia di passo 1.5mm La morfologia dei getti, il campo di moto variano in modo trascurabile al variare del passo della griglia e dell angolo d iniezione Griglia di passo 1mm I parametri d interesse del test sono il passo della griglia e angolo d iniezione
Griglia di passo 3mm Analisi della morfologia e del del campo di di moto dei dei getti getti La grandezza rappresentata è la componente della velocità del pacchetto lungo l asse del getto [wnw] Griglia di passo 2mm Griglia di passo 1.5mm La morfologia dei getti, il campo di moto variano in modo trascurabile al variare del passo della griglia e dell angolo d iniezione Griglia di passo 1mm I parametri d interesse del test sono il passo della griglia e angolo d iniezione
Misura dell asimmetria del del campo di di moto dei dei getti getti generati con con il il nuovo modello numerico Differenza mediamente trascurabile tra le velocità relative di α e β Differenza mediamente trascurabile tra le velocità relative di α e β Differenza mediamente trascurabile tra le velocità relative di α e β Differenza mediamente trascurabile tra le velocità relative di α e β
Misura della sensibilità del del nuovo modello numerico rispetto alla alla variazione della griglia e dell angolo d iniezione Ridotta sensibilità rispetto alla variazione del passo della griglia [% %] Ridotta sensibilità rispetto alla variazione del passo della griglia [% %] Trascurabile sensibilità rispetto alla variazione dell angolo d iniezione [% %] Trascurabile sensibilità rispetto alla variazione dell angolo d iniezione [% %]
VALIDAZIONE DEL NUOVO MODELLO NUMERICO Valutare le le effettive doti doti di di simulazione del del nuovo nuovo modello numerico, con con dati dati sperimentali nel nel campo campo delle delle basse basse ed ed alte alte pressioni d iniezione. Riferendosi le le misure misure sperimentali a spray spray non non evaporanti in in presenza di di break break up up lo lo scenario di di simulazione ha ha necessariamente dovuto dovuto subire subire un un evoluzione: l introduzione del del modello di di break break up up WAVE. WAVE. IL IL MODELLO DI BREAK UP WAVE Tale Tale modello è basato basato sull analisi dell instabilità di di una una colonna di di liquido liquido uscente da da un un foro foro in in direzione di di un un mezzo mezzo gassoso incompressibile ed ed in in condizione di di quiete. quiete. Le Le forze forze viscose agenti agenti in in corrispondenza dell interfaccia tra tra le le due due fasi fasi generano delle delle fluttuazioni asimmetriche del del campo campo di di velocità e di di pressione, tanto tanto nella nella colonna di di liquido liquido quanto quanto nel nel gas gas circostante; qualora i i disturbi disturbi siano siano caratterizzati da da particolari valori valori della della lunghezza d onda d onda e della della velocità d accrescimento il il getto getto liquido liquido si si instabilizza ed ed ha ha così così inizio inizio il il fenomeno del del break break up. up. Tale Tale modello è stato stato opportunamente modificato mediante le le funzioni di di forma. forma.
Prove d iniezione in in camera calma, p p inj = inj 50 50 bar, bar, θ = 0 0 Notevolmente migliorata la capacità di simulazione del nuovo codice numerico rispetto al codice originale, con ogni genere di infittimento di griglia nel campo delle bassissime pressioni d iniezione
Prove d iniezione in in camera calma, p p inj = inj 180 180 380 380 bar bar,, θ = 0 10 10 Notevolmente migliorata la capacità di simulazione del nuovo codice numerico rispetto al codice originale, con ogni genere di infittimento di griglia nel campo delle basse pressioni d iniezione
Simulazione delle caratteristiche locali dei dei getti getti Il Il modello WAVE WAVE consente di di cogliere le le caratteristiche tanto tanto locali locali quanto quanto globali globali del del getto getto liquido liquido liquido: liquido: la la costante B 0 è 0 in in relazione con con il il raggio raggio d equilibrio delle delle gocce gocce generate dal dal break break up, up, (caratteristiche locale locale del del getto), Buona capacità di simulazione delle getto), caratteristiche locali la la costante B 1 è 1 in in relazione dei getti con da con parte il il tempo tempo del nuovo di di break break nuovo up, codice up, (caratteristiche numerico nel globali). campo delle basse pressioni d iniezione, fatta eccezione Avendo tarato tarato il il nuovo nuovo modello però per numerico i primi istanti nel nel della campo campo simulazione delle delle basse basse e per pressioni, la zona per per ciò ciò che che riguarda di controllo la la risoluzione posta a z=20 delle delle ove le caratteristiche ipotesi poste alla globali base globali (penetrazione), si si procede del ora ora modello alla alla taratura matematico del del di modello simulazione per per del la larisoluzione moto del delle delle caratteristiche locali locali (campo (campo di di fluido moto). moto). non risultano essere valide 80 X x=1 mm z=20 mm z=30 mm z=40 mm Mean Axial Velocity (m/s) 60 40 20 0 20 mm exp num 30 mm exp num 40 mm exp num Z -10-8 -6 Crank Angle (degree)
Caratteristiche del del flusso all interno del del condotto d iniezione nel nel caso d iniezione ad ad alta alta pressione BASSA BASSA PRESSIONE PRESSIONE D INIEZIONE D INIEZIONE Le Le perdite perdite di di carico carico sono sono causate: causate: dal dal cambiamento cambiamento del del profilo profilo di di velocità velocità in in corrispondenza corrispondenza dell imbocco dell imbocco del del condotto, condotto, dall espansione dall espansione della della vena vena dopo dopo il il punto punto di di minima minima sezione sezione di di passaggio passaggio e dall attrito dall attrito con con la la superfice. superfice. Il Il profilo profilo di di velocità velocità Nel all uscita all uscita caso d iniezione è ad alta costante costante nella nella sua sua parte parte centrale centrale pressione, e presenta presenta [Common Rail], uno uno strato strato laminare laminare la la cui cui altezza altezza bisogna è funzione funzione tenere debitamente della della lunghezza lunghezza del del condotto. condotto. in conto il fenomeno della cavitazione ALTA ALTA PRESSIONE PRESSIONE D INIEZIONE D INIEZIONE In In prossimità prossimità della della parete parete si si è in in presenza presenza di di cavitazione; cavitazione; non non vi vi sono sono perdite perdite di di carico, carico, fatta fatta eccezione eccezione che che nella nella zona zona in in corrispondenza corrispondenza della della contrazione contrazione della della vena vena fluida, fluida, a causa causa del del meccanismo meccanismo del del bloccaggio. bloccaggio. Il Il recupero recupero della della pressione pressione in in uscita, uscita, è accompagnato accompagnato dal dal rallentamento rallentamento del del flusso flusso e dall aumento dall aumento della della superfice superfice di di passaggio. passaggio. Il Il profilo profilo di di velocità velocità all uscita all uscita è costante. costante.
Prove d iniezione in in camera calma, p p inj = inj 1180 bar bar,, θ = 0 0 Notevolmente migliorata la capacità di simulazione del nuovo codice numerico rispetto al codice originale, con ogni genere di infittimento di griglia nel campo delle alte pressioni d iniezione
CONCLUSIONI Intervento nel nel complesso dei dei sottomodelli che che implementano l equazione della conservazione della quantità di di moto. Eliminata l asimmetria dei dei getti liquidi iniettati al al di di fuori della verticale. Ridotta in in maniera consistente la la sensibilità rispetto alla alla variazione tanto del del passo della griglia quanto dell angolo d iniezione. Guadagnato in in termini di di capacità di di simulazione sia sia nel nel campo delle basse che che delle alte alte pressioni d iniezione. Testato con con successo le le capacità di di risoluzione delle caratteristiche locali dei dei getti nel nel campo delle basse pressioni.