ANALISI DEL CAMPO DI MOTO ALL INTERNO DEL SISTEMA DI FILTRAZIONE DI UN MCI IN CONDIZIONI DI FLUSSO NON STAZIONARIO Angelo Algieri 1, Sergio Bova 1, Carmine De Bartolo 1, Francesco Fortunato 2 1 Dipartimento di Meccanica, Università della Calabria 87030 Arcavacata di Rende (CS) 2 Elasis ScpA 80038 Pomigliano d Arco (NA) SOMMARIO Il presente lavoro si pone l obiettivo di determinare il campo di moto presente all interno della scatola del filtro aria di un motore automobilistico ad accensione comandata durante la fase di aspirazione e di valutare gli effetti delle condizioni operative del propulsore sulla distribuzione del flusso. A tal fine è stata condotta un analisi sperimentale, in condizioni di flusso non stazionario, al banco di flussaggio mediante la tecnica di Anemometria Laser Doppler (LDA). L analisi fluidodinamica ha evidenziato la presenza di campi di moto ordinati e l evidente azione frenante esercitata dal corpo filtrante. Il confronto fra le diverse condizioni operative ha mostrato che, a parità di portata, il regime di rotazione non determina evidenti variazioni della struttura del flusso ma influenza significativamente i moduli dei vettori velocità e le corrispondenti deviazioni standard, con una progressiva amplificazione dei fenomeni dissipativi al crescere del numero di giri. Inoltre, l analisi anemometrica ha evidenziato che la portata ha una notevole influenza sulla distribuzione del flusso sia in termini di moduli che di direzione dei vettori velocità. In particolare, i moduli di velocità scalano quasi linearmente con la portata mentre le deviazioni standard variano più lentamente. INTRODUZIONE L accurata caratterizzazione della fase di aspirazione è ritenuta, attualmente, uno dei passi fondamentali nella fase di progettazione e di sviluppo dei moderni motori a combustione interna. Il miglioramento di tale processo, infatti, è fondamentale sia per il contenimento dei consumi e delle emissioni che per il conseguimento di elevate potenze specifiche [1-2]. Numerosi sono gli studi volti ad approfondire la conoscenza del campo di moto presente all interno del cilindro dei moderni motori a combustione interna e valutarne la dipendenza dalla geometria e dalle condizioni operative del propulsore, mentre più limitate sono le attività di ricerca orientate verso la caratterizzazione fluidodinamica di altri componenti del sistema- 1
motore, come il sistema di filtrazione dell aria, ugualmente importanti per le prestazioni e la vita dei moderni propulsori. Il presente lavoro si pone l obiettivo di determinare il campo di moto esistente all interno della scatola del filtro aria di un motore automobilistico ad accensione comandata durante la fase di aspirazione in condizioni di flusso non stazionario. Funzione primaria dell unità filtrante è quella di garantire un elevata qualità dell aria aspirata, tale da evitare l ingresso in camera di combustione di particelle estranee che potrebbero danneggiare il motore, ridurne notevolmente l affidabilità e la durata e pregiudicare il corretto funzionamento di alcuni delicati sensori presenti sulle moderne vetture. Allo stesso tempo, il sistema di aspirazione deve garantire campi di moto ordinati, limitando la formazione di zone di ricircolo e di separazione, in modo da assicurare un elevata efficienza di filtrazione, e basse perdite di carico, allo scopo di produrre elevati rendimenti volumetrici e, quindi, alte prestazioni [3]. I ridotti spazi sottocofano rappresentano, tuttavia, un forte vincolo nella progettazione del sistema di filtrazione [4]. Come conseguenza, spesso si registrano campi di moto molto complessi che tendono a ridurre significativamente l efficienza del mezzo poroso [5]. La Figura 1 mostra il sistema di filtrazione esaminato mentre la Tabella 1 riassume le caratteristiche del propulsore. Figura 1 Sistema di filtrazione aria motore. 2
Motore Accensione comandata Numero di cilindri N c 4 Numero di valvole N v 8 Corsa / Alesaggio L/B 1.167 Diametro Valvola Aspirazione / Alesaggio D v /B 0.461 Diametro Valvola Farfalla / Alesaggio D t /B 0.625 Diametro Valvola Scarico / Alesaggio D e /B 0.400 Tabella 1 Caratteristiche del propulsore APPARATO SPERIMENTALE L attività sperimentale è stata eseguita al banco di flussaggio non stazionario allestito presso il laboratorio di Motori a Combustione Interna dell Università della Calabria. Il sistema è costituito essenzialmente da un ventilatore per la generazione del flusso attraverso i condotti di aspirazione e nella camera di combustione del motore da studiare e da una valvola di by-pass per la parzializzazione del flusso stesso. Un motore elettrico asincrono trifase, comandato da un inverter, è adoperato per trascinare l albero a camme. Per la misura globale della portata, necessaria per valutare l efficienza volumetrica, il banco è integrato dalla presenza di un flussometro V-Cone, di misuratori di pressione e temperatura. Il sistema oltre alla misura globale della portata, consente rilievi puntuali di velocità per mezzo della tecnica di Anemometria Laser Doppler (LDA). 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 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 che consente di registrare ed analizzare i dati. Per la movimentazione della sonda laser è utilizzato un sistema di slitte a traslazione micrometrica in aggiunta al quale esiste la possibilità di ruotare la sonda intorno al proprio asse longitudinale. Per la generazione del segnale Doppler, il flusso d aria è inseminato mediante un generatore di nebbia per flow visualization. Le particelle prodotte presentano un diametro medio dell ordine del micron con una deviazione standard molto stretta tale da poter considerare la nebbia prodotta come monodispersa. Maggiori dettagli sull apparato sperimentale sono disponibili in letteratura [6-7]. 3
CONDIZIONI OPERATIVE Allo scopo di analizzare il campo di moto all interno del sistema di filtrazione e di valutare gli effetti dinamici legati al moto delle valvole, le misure LDA in condizioni non stazionarie sono state eseguite nella parte anteriore della scatola filtro. A tal fine sono stati definiti 9 punti di misura posti su un piano parallelo alla testa del propulsore ed equidistante dalla superficie inferiore e superiore del sistema di aspirazione aria motore (Figura 2). Per ciascun punto sono state registrate tre componenti di velocità 1 con campioni di taglia 20000. Figura 2 - Punti di misura nella parte anteriore del sistema di aspirazione aria motore. Le distanze fra i punti sono espresse in mm. I rilievi LDA sono stati eseguiti imponendo lo stesso salto di pressione fra ambiente esterno e camera di combustione (Δp = 10 kpa) al fine di valutare l effetto del moto delle valvole sulla distribuzione del flusso. In particolare, l analisi è stata condotta considerando tre diverse velocità di rotazione dell albero a camme: N = 600 rpm, N = 750 rpm e N = 1000 rpm. Allo scopo di valutare anche l effetto della portata e del regime di rotazione del propulsore le misure anemometriche sono state, quindi, ripetute a due diverse velocità di rotazione dell albero a camme (N = 1000 rpm e N = 1600 rpm), imponendo la corrispondente portata aspirata dal propulsore a pieno carico. La Tabella 2 riassume le condizioni operative adoperate durante l attività sperimentale. 1 Per ciascun punto le componenti di velocità misurate sono sullo stesso piano. La terza componente è acquisita per scopo di verifica. 4
Velocità di rotazione albero a camme Condizione di funzionamento N = 600 rpm N =750 rpm N = 1000 rpm N = 1600 rpm Δp = 10 kpa x x x Pieno carico x x Tabella 2 - Condizioni operative adottate durante l attività sperimentale RISULTATI La Figura 3a mostra l andamento dei vettori velocità registrati nella parte anteriore della scatola filtro durante una precedente attività di ricerca condotta in condizioni stazionarie [8]. I rilievi sono stati effettuati con valvola a farfalla completamente aperta (WOT) imponendo un salto di pressione fra ambiente esterno e camera di combustione pari a 10 kpa. L analisi ha evidenziato un campo di moto molto ordinato con un flusso diretto prevalentemente lungo l asse x ed un progressivo incremento della componente y di velocità al ridursi della distanza dal corpo filtrante. La presenza del filtro ha determinato, inoltre, un azione frenante sul flusso con una sensibile riduzione dei moduli di velocità nei punti posti a maggiore distanza dal condotto di adduzione dell aria. L analisi è stata quindi effettuata in condizioni dinamiche allo scopo di valutare l effetto del moto delle valvole sulla distribuzione del flusso all interno del sistema di aspirazione. I primi rilievi in condizioni non stazionarie sono stati eseguiti imponendo una velocità di rotazione dell albero a camme pari a 750 rpm, con la valvola a farfalla completamente aperta (WOT) ed imponendo lo stesso salto di pressione fra ambiente esterno e camera di combustione adottato durante la precedente attività di ricerca condotta in condizioni stazionarie (Δp = 10 kpa). La Figura 3b mostra le velocità risultanti registrate nella parte anteriore del sistema di aspirazione aria motore in presenza del corpo filtrante. Come già osservato in condizioni di flusso stazionario, i vettori velocità sono diretti prevalentemente lungo l asse x con un progressivo incremento della componente y di velocità al ridursi della distanza dal mezzo poroso (Figura 4a). La presenza del filtro determina, inoltre, un azione frenante con una sensibile riduzione dei moduli di velocità nei punti posti a maggiore distanza dal condotto aria sporca. 5
a) b) Figura 3 - Velocità risultanti misurate nella parte anteriore del sistema di aspirazione in condizioni stazionarie (a) e dinamiche - N = 750 rpm (b). a) b) Figura 4 - Confronto fra le componenti x e y di velocità. (a) e fra le corrispondenti deviazioni standard (b). N = 750 rpm, Δp = 10 kpa. Considerando le deviazioni standard (Figura 4b) si osservano valori piuttosto uniformi sulle due componenti. Inoltre, si nota che i valori registrati sulla componente x risultano sempre maggiori rispetto alle corrispondenti deviazioni registrate in direzione y, con una differenza percentuale media dell ordine del 43%. EFFETTO DEL CORPO FILTRANTE I rilievi LDA sono, quindi, stati ripetuti in assenza del corpo filtrante allo scopo di valutare l influenza esercitata dal mezzo poroso sulla distribuzione del flusso all interno della scatola filtro. L analisi anemometrica evidenzia un campo di moto fortemente stratificato (Figura 5), con la direzione dei vettori velocità coincidente quasi perfettamente con l asse x. 6
Figura 5 - Velocità risultanti nella parte anteriore del sistema di aspirazione aria motore in assenza del corpo filtrante. N = 750 rpm, Δp = 10 kpa. Il confronto con le misure eseguite in presenza del corpo filtrante mette in rilievo che il mezzo poroso determina una sensibile alterazione del campo di moto all interno del sistema di aspirazione aria motore sia in termini di modulo che di direzione (Figura 6) dei vettori velocità. Si nota, inoltre, che la presenza del filtro determina un sensibile incremento delle deviazioni standard di velocità (Figure 7), con variazioni medie dell ordine del 36% sulla componente x e dell ordine del 18% sulla componente y. EFFETTO DEL MOTO DELLE VALVOLE Allo scopo di valutare l effetto del moto delle valvole sulla distribuzione del flusso, i rilievi LDA sono stati ripetuti a due differenti velocità di rotazione dell albero a camme (N = 600 rpm e N = 1000 rpm), imponendo lo stesso salto di pressione fra ambiente esterno e camera di combustione già imposto nelle precedenti campagne sperimentali (10 kpa). La scelta di imporre lo stesso salto di pressione per i diversi regimi di rotazione dell albero a camme è derivata dalla volontà di scindere l influenza del moto delle valvole dall influenza della variazione della portata sulla distribuzione del flusso all interno del sistema di aspirazione. La Figura 8 mostra i risultati registrati a monte del mezzo poroso a N = 600 rpm e N = 1000 rpm. Il confronto con i rilievi eseguiti a 750 rpm (Figura 3b) evidenzia campi di moto molto simili: la struttura del flusso tende, infatti, a conservarsi sia in termini di moduli che di direzione dei vettori velocità, con la presenza di un campo di moto molto ordinato e l evidente azione frenante esercitata dal corpo filtrante. 7
a) b) Figura 6 - Confronto fra i moduli (a) e le direzioni (b) delle velocità risultanti nelle configurazioni con e senza filtro. N = 750 rpm, Δp = 10 kpa. a) b) Figura 7 - Confronto fra le deviazioni standard sulla componente x (a) e sulla componente y (b) nelle configurazioni con e senza filtro. N = 750 rpm, Δp = 10 kpa. a) b) Figura 8 - Confronto fra le velocità risultanti nella parte anteriore del sistema di aspirazione aria motore a N = 600 rpm (a) e N = 1000 rpm (b). 8
Allo scopo di confrontare le distribuzioni di velocità ottenute al variare del regime di rotazione dell albero a camme, imponendo lo stesso salto di pressione, nella Figura 9 sono riportati i moduli dei vettori risultanti. Complessivamente si nota una progressiva riduzione dei moduli delle velocità al crescere del numero di giri. Tale risultato è dovuto all amplificarsi dei fenomeni dissipativi che determinano una piccola riduzione della portata mediamente aspirata dal propulsore. La Tabella 3 mostra la portata aspirata dal motore in condizioni stazionarie e non stazionarie imponendo lo stesso salto di pressione. Analizzando le componenti x dei vettori velocità si rileva ancora un andamento decrescente all aumentare del numero di giri mentre valori più uniformi si registrano per la componente y. Figura 9 - Effetto della velocità di rotazione dell albero a camme sui moduli dei vettori risultanti. m& [kg/s] Δ m & / m& [%] Stazionario 2 0.047 - N = 600 rpm 0.047 0 N = 750 rpm 0.046-2.1 N = 1000 rpm 0.045-4.2 Tabella 3 Portata aspirata dal propulsore nelle differenti condizioni operative - Δp = 10 kpa. Il confronto fra le deviazioni standard registrate sulle componenti x ed y di velocità al variare del numero di giri evidenzia un progressivo incremento delle fluttuazioni turbolente al crescere della velocità di rotazione dell albero a camme. All aumentare del numero di giri 2 La portata aspirata in condizioni di flusso stazionario è assunta come riferimento. 9
crescono, infatti, le ampiezze delle onde di pressione all interno del sistema di aspirazione e con esse le deviazioni standard. Si nota, inoltre, che per tutti i regimi analizzati le deviazioni standard rilevate sulla componente x sono sempre maggiori rispetto ai corrispondenti valori misurati sulla componente y. Il confronto con i risultati conseguiti in condizioni stazionarie evidenzia, quindi, che a parità di portata il moto delle valvole non determina evidenti variazioni della struttura del flusso. Si nota, tuttavia, l effetto di disturbo originato dal moto delle valvole con una progressiva riduzione delle velocità medie ed un progressivo incremento delle deviazioni standard. EFFETTO DELLA PORTATA E DEL REGIME DI ROTAZIONE Allo scopo di approfondire l analisi del campo di moto all interno della scatola del filtro aria in condizioni di flusso periodico e di valutare gli effetti dinamici legati al moto delle valvole, le misure LDA in condizioni non stazionarie sono state eseguite a due differenti velocità di rotazione dell albero a camme: N = 1000 rpm, N = 1600 rpm, imponendo la corrispondente portata aspirata dal propulsore a pieno carico (rispettivamente m& = 0.022 kg/s e m& = 0.041 kg/s). La Figura 10 mostra le velocità risultanti registrate nella parte anteriore del sistema di aspirazione imponendo una velocità di rotazione dell albero a camme pari a N = 1000 rpm e la corrispondente portata aspirata dal propulsore a pieno carico. Il confronto con i risultati registrati alla stessa velocità di rotazione ma con portata maggiorata (Figura 8b) mostra che la riduzione di portata (-53% rispetto al caso precedente) ha una notevole influenza sulla distribuzione del flusso sia in termini di moduli (Figura 11) che di direzione dei vettori velocità. A parità di numero di giri si nota, infatti, che l elevata variazione di portata determina una ridistribuzione dei vettori velocità, con l inversione del flusso nei punti posti più lontano dal condotto di adduzione aria sporca, con i moduli di velocità che scalano quasi linearmente con la portata ( 59%) mentre le deviazioni standard variano più lentamente ( 30%). La Figura 12 mostra la distribuzione dei vettori velocità registrati imponendo una velocità di rotazione dell albero a camme pari a N = 1600 rpm. L analisi conferma che la struttura del flusso tende a conservarsi per portate simili. Il campo di moto misurato risulta, infatti, molto simile a quanto rilevato precedentemente per le portate maggiori ( m& = 0.045 0.047 kg/s). 10
Il confronto con i risultati registrati a 1000 rpm conferma che l incremento del numero di giri e, quindi, della portata determina un progressivo incremento dei moduli dei vettori velocità (Figura 13) ma anche l amplificazione dei fenomeni dissipativi con conseguente incremento delle deviazioni standard di velocità. Figura 10 - Rilievi LDA non stazionari (N = 1000 rpm, m& = 0.022 kg/s). Figura 11 - Confronto fra le velocità risultanti registrate a N = 1000 rpm. Figura 12 - Rilievi LDA non stazionari (N = 1600 rpm, m& = 0.041 kg/s). Figura 13 - Confronto fra le velocità risultanti registrate a N = 1000 rpm e N = 1600 rpm. CONCLUSIONI Il campo di moto presente all interno della scatola del filtro aria di un motore automobilistico ad accensione comandata è stato analizzato al banco di flussaggio non stazionario mediante la tecnica di Anemometria Laser Doppler (LDA). Le misure anemometriche sono state eseguite sia in presenza che in assenza del corpo filtrante allo scopo di valutare l influenza del mezzo poroso sulla distribuzione del flusso all interno della scatola del filtro aria. Il confronto ha evidenziato che il filtro determina una sensibile alterazione del campo di moto all interno del sistema di aspirazione aria motore sia 11
in termini di modulo che di direzione dei vettori velocità con un sensibile incremento delle deviazioni standard di velocità Allo scopo di valutare l influenza delle condizioni operative del propulsore sulla distribuzione del flusso, i rilievi sono stati effettuati imponendo differenti velocità di rotazione dell albero a camme e differenti portate L analisi sperimentale ha mostrato che, a parità di portata, il moto delle valvole non determina evidenti variazioni della struttura del flusso medio mentre influenza i moduli dei vettori velocità e le corrispondenti deviazioni standard. Rilevante è risultato, invece, l effetto della portata sull andamento del moto medio. RINGRAZIAMENTI Gli autori ringraziano l Elasis ScpA per la fornitura del propulsore. BIBLIOGRAFIA 1. Heywood J.B., 1988, Internal Combustion Engine Fundamentals, Mc Graw Hill International Edition. 2. Pignone G. A., 2003, Vercelli U., Motori ad Alta Potenza Specifica, G. Nada Ed. 3. Newman A. R., Duran R., Chambers F. W., Air Filter Test Housing Velocity Profile Effects on Filter Efficiencies, SAE paper n. 970554, 1997. 4. Al-Sarkhi A., Chambers F. W., Optimization Technique for Design of Automotive Air Filter Housings with Improved Fluid Dynamic Performance and Filtration, Particulate Science and Technology, 22, 235-252, 2004. 5. Sabnis R. D., Cai Q., Chambers F. W., Flow Distribution Effects Upon Air Filter Performance Measurements, SAE paper n. 940317, 1994. 6. Algieri A., Bova S., De Bartolo C., Nigro A., Numerical and Experimental Analysis of the Intake Flow in a High Performance Four-Stroke Motorcycle Engine. Journal of Engineering for Gas Turbines and Power, 2007, Vol. 129 (4), pp. 1095-1105. 7. Algieri A., Bova S., De Bartolo C., 2006, Influence of Valve Lift and Throttle Angle on Intake Flow in a High Performance Four-Stroke Motorcycle Engine, Journal of Engineering for Gas Turbines and Power, 128 (4), pp. 934-941. 8. Algieri A., Bova S., De Bartolo C., Fortunato F., Analisi del Campo di Moto all interno della Scatola del Filtro Aria di un Motore a Combustione Interna, Atti del convegno Mis-Mac IX, Trieste, 2006. 12