INTRODUZIONE
2
NOx, catalizzatori selettivi a base di urea, ecc.) oppure realizzando delle tipologie di
combustioni “non convenzionali” (definite alternative).
Le combustioni alternative, nell’accezione del termine utilizzata nel presente
elaborato, sono le reazioni della miscela di combustibile ed aria che si svolgono in
modo differente da quanto realizzato attualmente nei motori Diesel. La combustione
alternativa maggiormente citata in ambito tecnico è la cosiddetta HCCI (Homogeneous
Charge Compression Ignition), nella quale una miscela con dosatura omogenea si
accende grazie alla compressione esercitata dallo stantuffo all’interno della camera del
motore. Essa tuttavia non è l’unica combustione alternativa di interesse motoristico,
infatti possono essere citate le combustioni HPLI (Highly Premixed Late Injection),
HCLI (Homogeneous Charge Late Injecion), ecc. Le combustioni alternative sono
particolarmente interessanti perché permettono di ottenere, simultaneamente, una
diminuzione degli ossidi di azoto e del particolato prodotti da un motore Diesel durante
il suo funzionamento, senza l’utilizzo di alcun sistema di post-trattamento dei gas di
scarico. Tale aspetto permette di limitare i costi di produzione del propulsore per
l’azienda ed il costo della vettura per il cliente.
L’opportunità di utilizzare le combustioni alternative per soddisfare i futuri
vincoli anti-inquinamento EURO 6 richiede degli studi approfonditi sulla
fenomenologia di reazione della miscela aria – combustibile. Le combustioni
alternative, inoltre, sono instabili e richiedono diversi accorgimenti per poter essere
utilizzate in un motore per automobile. Di conseguenza, è necessario individuare le
principali criticità di una combustione alternativa, in modo da determinare
successivamente gli strumenti su cui agire per porvi soluzione.
Le analisi fluidodinamiche offrono la possibilità di simulare ciò che avviene
all’interno della camera di un motore, fornendo un contributo alla comprensione dei
fenomeni che determinano l’evoluzione della combustione. Ogni processo fisico,
dall’introduzione del combustibile in camera fino alla formazione delle specie
inquinanti, può essere indagato numericamente mediante i codici di calcolo
fluidodinamici CFD. Ciò costituisce un enorme vantaggio, se si considera la difficoltà
di effettuare delle analisi sperimentali di ciò che accade in camera di combustione ed i
costi annessi a tali attività. Anche dal punto di vista aziendale, inoltre, l’utilizzo di
codici CFD permette di ridurre i tempi di sviluppo di un prodotto e di ricerca di
soluzioni alternative alle attuali.
La simulazione dei fenomeni che avvengono in camera di combustione, però,
deve essere realizzata in modo adeguato perché possa dirsi significativa. In particolare è
necessario validare i modelli numerici che vengono utilizzati nei codici CFD per
rappresentare i fenomeni in camera di combustione. Ciò può essere realizzato soltanto
utilizzando dei dati sperimentali che indichino il funzionamento di un propulsore reale,
ad esempio analizzando il ciclo di pressione misurata in camera ed il quantitativo di
inquinanti rilevato allo scarico.
Il lavoro oggetto del presente elaborato si colloca in questo contesto nel tema
dell’analisi CFD delle combustioni alternative. L’obiettivo del lavoro presentato è
illustrare la simulazione numerica tridimensionale di una combustione non
convenzionale, eseguita mediante un modello di combustione della classe CFM
INTRODUZIONE
3
(Coherent Flame Model). Attraverso il calcolo fluidodinamico si è valutata l’influenza
dei modelli numerici sui risultati della simulazione di combustione, inoltre sono stati
analizzati i fenomeni posti alla base delle combustioni premiscelate.
Nel primo capitolo dell’elaborato vengono presentati i moti che si verificano
all’interno della camera di combustione di un motore Diesel, i quali sono in grado di
influenzare i processi di evaporazione del combustibile e la sua reazione di ossidazione.
Nel secondo capitolo è stata effettuata una breve panoramica del sistema di
iniezione Common Rail, il quale caratterizza il motore monocilindrico dal quale sono
stati prelevati i dati sperimentali utilizzati in fase di impostazione delle simulazioni.
Nel terzo capitolo, si è focalizzata l’attenzione sui processi di formazione dello
spray di combustibile all’interno del cilindro. Tali fenomeni sono in grado di
influenzare in modo molto rilevante la combustione che si verifica nel motore, di
conseguenza è stata fornita una precisa descrizione di ciò che avviene al combustibile
una volta iniettato all’interno della camera.
Nel quarto capitolo vengono richiamate le caratteristiche principali di una
combustione in un motore Diesel, inoltre vengono specificate le modalità di
svolgimento di una combustione alternativa. In tale capitolo vengono classificate le
combustioni alternative e vengono presentati i vantaggi che esse permettono di ottenere
in termini di emissioni inquinanti. A titolo di completezza, sono stati richiamati i
meccanismi di formazione delle principali specie inquinanti in un motore Diesel.
Il quinto capitolo verte sul codice fluidodinamico utilizzato per eseguire le
simulazioni tridimensionali della combustione. Nel capitolo vengono descritte le
relazioni di base utilizzate dal programma Star-Cd ed i modelli numerici indagati nel
corso delle simulazioni. Vengono inoltre delineate le approssimazioni e le ipotesi di
base su cui si fondano gli schemi numerici e gli studi fluidodinamici in genere.
Il sesto capitolo illustra le caratteristiche dei modelli di combustione utilizzati
nelle simulazioni. Essi sono fondamentali per la descrizione della reazione che avviene
in camera e le ipotesi di base su cui si fondano condizionano l’intero processo di
simulazione. Per tale motivo è stata fornita una descrizione estesa delle relazioni
utilizzate da tali modelli, specie soffermandosi sullo schema ECFM3Z di nuova
concezione.
Nel settimo capitolo vengono presentate le ipotesi di base effettuate per realizzare
la simulazione della combustione premiscelata. In tale capitolo viene descritta la mesh
utilizzata nel calcolo, le condizioni al contorno e le condizioni iniziali utilizzate. Viene
inoltre presentata la relazione tra le condizioni iniziali ed i dati sperimentali misurati nel
propulsore monocilindrico ed al banco prova EVI.
Concludendo, nell’ottavo capitolo vengono presentati i risultati delle simulazioni
fluidodinamiche eseguite. Particolare enfasi è stata data alla sensitività dei risultati
numerici ai modelli utilizzati durante le simulazioni ed ai parametri impiegati per
impostare il calcolo. Infine, vengono presentate le conclusioni del lavoro effettuato.
CAPITOLO 1
IL MOTO DELLA CARICA NEL CILINDRO
Introduzione
Il moto della carica all’interno del cilindro è uno dei parametri di principale
influenza del funzionamento di un motore ad accensione per compressione.
L’aria ed i gas combusti presenti in camera sono in grado di modificare sia il
processo di riscaldamento, evaporazione e miscelamento del combustibile con l’aria, sia
il processo di combustione successivo. Per questa ragione è importante un’accurata
descrizione del loro campo di moto nella simulazione del comportamento del
propulsore.
Il moto del fluido in questo contesto è turbolento e viene generato durante la fase
di aspirazione del ciclo motore, quando la miscela di aria e gas combusti fluisce
attraverso il meato valvola. La geometria della camera e del condotto di aspirazione
vengono definite appositamente per provocare la nascita dei seguenti moti all’interno
del cilindro:
- swirl
- squish
- tumble
Di essi i primi due sono particolarmente importanti per i motori Diesel, perché
permettono di ottimizzare il processo di combustione. Il terzo è invece ricercato nei
propulsori ad accensione comandata.
In questo capitolo saranno introdotte le grandezze caratteristiche comunemente
utilizzate per descrivere i movimenti della carica all’interno del cilindro. Per fare ciò in
primo luogo verrà esposta la natura dei moti organizzati che si presentano in un motore
Diesel odierno, quindi verrà illustrata la struttura del campo di velocità del fluido e
l’influenza che può avere sul processo di combustione. Infine verranno introdotte alcune
grandezze di riferimento utili alla caratterizzazione del moto turbolento all’interno del
cilindro.
Le descrizioni effettuate nella presente sezione saranno accompagnate da
immagini ricavate attraverso le simulazioni numeriche eseguite con il codice di calcolo
fluidodinamico Star – Cd.
CAPITOLO 1 IL MOTO DELLA CARICA NEL CILINDRO
6
1.1 - Il moto di Swirl
Il moto di swirl è un movimento rotatorio organizzato del fluido intorno all'asse
del cilindro, generato durante la fase di aspirazione.
Definendo un sistema di riferimento per la camera di combustione, secondo
quanto riportato in figura 1.1, è possibile effettuare alcune considerazioni. La carica
durante il ciclo motore si sposta in ogni direzione, tuttavia osservando soltanto la
componente di velocità tangenziale alle pareti è possibile evidenziare una struttura di
movimento organizzata. Questa rimane inalterata al procedere della rotazione
dell’albero motore: si origina nella fase di aspirazione ed è ancora presente durante
l’espansione ([1]). Il movimento così descritto è appunto il moto di swirl. Questo
spostamento della carica è in grado di influenzare il miscelamento dell’aria con il
combustibile, la penetrazione dello spray e numerosi altri parametri operativi di un
propulsore.
In figura 1.1 è mostrato il campo di moto dell’aria in camera di combustione, al
punto morto superiore di compressione, ottenuto con una simulazione numerica 3D.
Figura 1.1 – Rappresentazione del moto di swirl in forma vettoriale all’interno
della camera di combustione in una simulazione CFD eseguita. In figura è
visibile una porzione del volume della camera di combustione compreso tra lo
stantuffo, comprensivo di bowl, e la testa motore. I vettori rappresentano le
velocità locali del fluido normalizzate rispetto alla velocità massima.
Lo swirl subisce una sostanziale modifica durante il ciclo motore e questo
fenomeno è accentuato se è presente una bowl nello stantuffo, come nel motore in
esame. La bowl è una cavità ricavata nel cielo del pistone, modellata per contenere lo
spray e per provocare appositamente la modifica del moto di swirl. La variazione del
campo di velocità tangenziale ottenuta grazie a questa cavità è in grado di influenzare la
combustione, favorendo il miscelamento del fluido con il combustibile evaporato ([2]).
x
y
z
vadim
CAPITOLO 1 IL MOTO DELLA CARICA NEL CILINDRO
7
È importante notare che la distribuzione spaziale delle velocità tangenziali
dell’aria ha un profilo caratteristico: in una sezione trasversale della camera di
combustione il moto del fluido è approssimabile con la rotazione di un corpo rigido
equivalente ([3], [4], [5]). Esiste cioè una proporzionalità diretta tra il raggio a cui ruota
una particella di carica ideale e la velocità periferica di questa, per un dato strato di
fluido di spessore infinitesimo.
Data l'importanza dello swirl nel funzionamento dei motori Diesel, è utile
approfondire brevemente alcuni aspetti riguardanti tale tipologia di moto. Verranno
analizzate le cause che provocano la nascita del campo di velocità rotazionale e verrà
descritta la sua evoluzione durante il ciclo motore, infine si analizzeranno le
metodologie disponibili per caratterizzare lo swirl.
1.1.1 - Generazione dello swirl
Il moto di swirl si genera durante la fase di aspirazione della carica nel cilindro
motore. In questo intervallo temporale il fluido attraversa il meato valvola ad elevate
velocità, prossime alla velocità del suono ([1]): la generazione del moto rotatorio della
carica è determinata proprio dalla geometria delle valvole e dei condotti di aspirazione.
Questi elementi, infatti, possono essere sagomati in modo da fornire un momento
angolare della quantità di moto all’aria in ingresso nel cilindro. In ambito motoristico
sono attualmente disponibili due soluzioni per ottenere l’effetto descritto:
- utilizzo di un condotto di aspirazione direzionale, in grado di orientare il fluido
in direzione tangenziale alla parete del cilindro
- utilizzo di un condotto elicoidale, in grado di forzare la nascita di un moto
rotatorio del fluido intorno all'asse valvola prima dell’ingresso nel cilindro.
Una rappresentazione schematica dei condotti di aspirazione riferita alle due soluzioni
sopraesposte è visibile in figura 1.2 a pagina seguente.
Ognuno degli schemi indicati presenta dei vantaggi e degli svantaggi propri in
termini di:
- coefficiente di riempimento del cilindro
- livelli di swirl raggiungibili in camera.
Si nota in particolare che la soluzione direzionale è caratterizzata da una sezione
effettiva di efflusso fluido inferiore alla sezione geometrica disponibile. Ciò avviene a
causa di due motivi: la presenza della contrazione di vena fluida ed una distribuzione
spaziale di velocità della carica non uniforme all’uscita del meato valvola ([6], [7]).
Quest’ultima caratteristica permette di ottenere una direzione preferenziale di
avanzamento delle particelle fluide. Il condotto di aspirazione è sagomato
appositamente con questo accorgimento, in modo che la direzione ottenuta sia
tangenziale alle pareti del cilindro: una volta entrato in camera il fluido sarà così forzato
a ruotare grazie all’impatto con la parete della camera.
Al contrario la soluzione con condotto elicoidale mantiene una distribuzione di
velocità della carica uniforme nel meato valvola ([6], [7]). Questo aspetto permette di
raggiungere coefficienti di riempimento del cilindro piú elevati rispetto al caso
CAPITOLO 1 IL MOTO DELLA CARICA NEL CILINDRO
8
direzionale ([1]). Nel caso di condotti elicoidali tale caratteristica è resa possibile perché
non è richiesta la creazione di una direzione preferenziale di avanzamento del fluido: il
moto rotatorio dell’aria è generato nel condotto stesso grazie alla sua geometria, quindi
il fluido entra in camera ruotando grazie all’effetto inerziale.
Attraverso alcune analisi sperimentali (4], [5]) è inoltre possibile osservare che la
soluzione elicoidale permette di raggiungere livelli di swirl più elevati alle medie alzate
della valvola di aspirazione. Con la stessa soluzione si ottengono risultati soddisfacenti
anche per basse alzate, rispetto alla configurazione direzionale.
Figura 1.2 – Rappresentazione schematica di diversi tipi di condotto di aspirazione
utilizzati per la generazione del moto di swirl: (a) deflettore, (b) direzionale, (c)
elicoidale moderato e (d) elicoidale a rampa ripida. ([1])
Il propulsore utilizzato come riferimento per le analisi CFD svolte nel presente
elaborato ha la seguente configurazione dei condotti di aspirazione: un condotto è
sagomato con profilo direzionale per la generazione dello swirl, l’altro ha un profilo
tuffante. Quest’ultimo ha un comportamento sostanzialmente neutro in termini di
generazione dello swirl, ma consente di raggiungere elevati coefficienti di riempimento
del cilindro.
A monte del condotto tuffante, nel ramo del collettore di aspirazione, è
posizionata una farfalla la cui inclinazione, regolata dalla centralina motore, consente di
variare l’efflusso dell’aria attraverso il condotto stesso. Muovendo la farfalla la portata
tende a spostarsi verso il condotto direzionale, grazie ad effetti dinamici, e ciò consente
di variare il livello di swirl in camera.
Una rappresentazione schematica di un sistema simile utilizzato su un motore ad
accensione comandata è visibile in figura 1.3 a pagina seguente. In questa soluzione
viene generato un moto di swirl a scapito di un moto di tumble ([1]).
CAPITOLO 1 IL MOTO DELLA CARICA NEL CILINDRO
9
Figura 1.3 – Sistema di variazione dinamica del livello di swirl (2) /
tumble (1) in un motore ad accensione comandata. In figura è indicata con
(6) la farfalla utilizzata anche nei motori ad accensione per compressione
allo scopo di variare il livello di swirl realizzato in camera. Questa è
movimentata da un motore elettrico dedicato (4).
Nel sistema rappresentato in figura 1.3 il livello di swirl realizzato viene variato
mediante una farfalla identica a quella utilizzata nei motori ad accensione per
compressione. In alcune soluzioni, viceversa, lo stesso effetto viene ottenuto variando in
modo dinamico l’alzata di una delle valvole di aspirazione (sistemi Multiair evoluti,
sistemi VVA DASL Eaton, ecc.).
La possibilità di controllare il moto dell’aria in camera di combustione è di
primaria importanza per i propulsori di nuova generazione. Mediante la farfalla, infatti,
la centralina di controllo motore è in grado di variare lo swirl al variare del punto
operativo del propulsore: ciò consente di ottimizzare il moto della carica all'interno del
cilindro e di ottenere quindi le condizioni di flusso desiderate nel momento in cui è
prevista la combustione. Non solo, la gestione del livello di swirl può essere effettuata
in modo indipendente cilindro per cilindro e ciclo per ciclo (sistema Multiair). Così
facendo le possibilità di controllare il funzionamento del propulsore nel modo
desiderato vengono ulteriormente incrementate e si presenta l’opportunità di regolare il
motore in modi innovativi (parzializzazione alzate valvola).
La tecnologia descritta permette di variare la strategia di gestione del moto del
fluido agendo sulle mappature della centralina. In questo modo si permette l’attuazione
di strategie “ad hoc” per ogni condizione di utilizzo della vettura. Si ottiene così
un’enorme flessibilità di funzionamento del propulsore.
CAPITOLO 1 IL MOTO DELLA CARICA NEL CILINDRO
10
1.1.2 - Evoluzione del moto di swirl all'interno del cilindro
Il moto che si genera all'interno del cilindro ha natura disomogenea sia dal punto
di vista temporale sia dal punto di vista spaziale.
Se si pensa, ad esempio, di osservare il fluido che transita in una sezione
trasversale del cilindro e di valutare le velocità periferiche della carica nel loro evolvere
nel tempo è possibile effettuare alcune considerazioni.
Il moto del fluido che attraversa l'ipotetica sezione di osservazione è
tempovariante, ossia le velocità periferiche del fluido variano nel tempo in una data
posizione della camera di combustione ([1]). Uno dei fenomeni che motiva tale
osservazione è la non stazionarietà dell’efflusso di aria attraverso il meato valvola. Sia
la dimensione del meato sia la velocità dello stantuffo nel cilindro variano nel tempo,
per cui anche trascurando gli effetti di comprimibilità la velocità del fluido in camera
risulterà tempovariante. Secondo alcune indagini sperimentali si è poi osservato che la
velocità del fluido all’ingresso nel cilindro è maggiore nella prima metà della fase di
aspirazione piuttosto che nella seconda ([1]). Di conseguenza, a livello rotazionale, il
fluido entrato durante i primi istanti della fase di aspirazione avrà una velocità periferica
superiore rispetto alla carica entrata nel cilindro al termine della stessa fase ([1]). Il
volume della camera di combustione in un dato istante di tempo sarà quindi occupato da
strati di fluido che ruotano a velocità diverse, sovrapposti l’uno all’altro. Questo
fenomeno è noto con il termine stratificazione dello swirl ed esprime esattamente la
variazione della velocità angolare del fluido lungo la camera di combustione, in un dato
istante di tempo.
Oltre alla variabilità spaziale del moto di swirl, la distribuzione delle velocità
periferiche nella carica risulta tempovariante a causa della viscosità non nulla del fluido
stesso. Questo aspetto implica la presenza di attrito viscoso con le pareti della camera e
tra le particelle fluide in moto relativo tra loro. Dato che la velocità angolare di ogni
strato di carica è diversa da quella degli strati ad esso adiacenti, saranno presenti attriti
che dissiperanno parte dell'energia cinetica in calore. La distribuzione spaziale di
velocità periferica in una sezione trasversale della camera, inoltre, non è perfettamente
coincidente con quella di un corpo rigido. Tra le particelle presenti sulla stessa sezione
del cilindro saranno quindi presenti attriti viscosi dovuti a questo moto relativo. La
presenza dell’attrito causa una evoluzione del moto di swirl all'interno della camera di
combustione, sia durante la fase di aspirazione sia nelle fasi successive del ciclo motore.
Dal punto di vista analitico l'evoluzione dello swirl può essere descritta con il
principio di conservazione della quantità di moto ([1]). Mediante un approccio
Euleriano si può identificare con la camera un volume di controllo permeabile al fluido.
Dato che l'unica azione esterna applicata al sistema contenuto nel cilindro è costituita
dal momento di attrito, è possibile esprimere il principio di conservazione della quantità
di moto come
(1.1)
( ) ( )
qattr
eqeqp
q
eqeqpq
attr FM
t
I
F
t
I
dt
dMM −=
∂
⋅∂+
∂
⋅∂
==
ωω
,,
CAPITOLO 1 IL MOTO DELLA CARICA NEL CILINDRO
11
dove con eq si è indicata la velocità angolare equivalente dell'intero fluido presente in
camera di combustione. Con Ip,eq si è indicato il momento di inerzia rotazionale di
massa dello stesso sistema, con Fq il flusso di momento della quantità di moto attraverso
la superficie di controllo e con Mattr il momento di attrito applicato dalle pareti della
camera di combustione al sistema. In questo approccio si trascura la presenza della
stratificazione dello swirl ed inoltre si considera positivo il flusso di quantità di moto
uscente dal volume di controllo, avendo mantenuto la convenzione di studio classica dei
sistemi aperti.
Il flusso del momento della quantità di moto durante la fase di aspirazione può
essere espresso come
(1.2)
essendo invece nullo durante la fase di compressione ed espansione, supponendo nulle
le fughe di carica dalla camera. Nella (1.2) si è indicata con v la velocità periferica
della generica molecola di fluido nel meato valvola, con r la congiungente della
molecola con l’asse cilindro, perpendicolare a tale asse, e con Av si è indicata la
superficie del meato valvola stesso.
Dalla (1.2) si ottiene che il momento della quantità di moto del fluido al termine
dell’aspirazione è pari teoricamente a
mentre a causa dell'attrito il momento risultante nello stesso istante sarà inferiore, come
espresso dall’equazione (1.1). L'attrito osservato dal fluido può essere valutato con
formule semiempiriche indicate in [1] oppure può essere calcolato mediante un codice
di calcolo fluidodinamico nell’ambito di una simulazione tridimensionale del moto in
camera.
L'equazione (1.1) consente di effettuare un'ulteriore importante considerazione.
Lo stantuffo utilizzato nei motori ad accensione per compressione presenta nel cielo una
cavità denominata bowl. In prossimità del punto morto superiore quasi tutto il fluido
presente in camera è contenuto all'interno di tale cavità, in modo da realizzare un
elevato rapporto di compressione volumetrico. Al contrario, nelle fasi precedenti tale
istante l’aria ed i gas combusti sono contenuti anche esternamente alla bowl, sopra il
cielo dello stantuffo. Durante la fase di compressione si osserva cioè uno spostamento
di carica verso la bowl ma la contemporanea rotazione comporta una modifica della sua
velocità angolare. Considerando l’analogia con un corpo rigido equivalente rotante,
quando lo stantuffo è al punto morto inferiore il fluido è caratterizzato da un momento
di inerzia rotazionale di massa che risulta proporzionale all'alesaggio del cilindro. Al
termine della fase di compressione lo stesso fluido presenterà invece un momento di
inerzia rotazionale di massa proporzionale al diametro della bowl, essendo in essa
V
A
q dAvvrF
V
⋅⋅⋅⋅−= θρ
( ) ⋅⋅⋅⋅=
IVC
IVO
V
A
thq dAvvrIVCM
V
θρ,
CAPITOLO 1 IL MOTO DELLA CARICA NEL CILINDRO
12
contenuto. Trascurando in prima approssimazione la presenza del momento di attrito
durante la fase di compressione è quindi possibile scrivere che
essendo il diametro della bowl DB inferiore all'alesaggio del cilindro D. Pertanto,
trascurando gli effetti dell'attrito, la velocità angolare equivalente della carica non può
che aumentare durante il processo di compressione, per il principio di conservazione
della quantità di moto. La diminuzione del momento di inerzia rotazionale può essere
ricavata esprimendo quest’ultimo come
(1.3)
dove con mc si è indicata la massa di fluido in camera mentre con hB si è indicata la
profondità della bowl. La coordinata z indica la distanza del cielo dello stantuffo dal
punto morto superiore. Si ha, secondo la (1.3), che al punto morto inferiore
8/2
,
DmI ceqp ⋅≈ mentre al termine della compressione 8/2, Bceqp DmI ⋅≈ , per cui
tenendo conto della geometria dello stantuffo la velocità angolare del fluido
aumenterebbe del fattore ( )2/ BDD tra i due istanti. Nei motori Diesel attuali tale
rapporto risulta essere circa pari a quattro ([1]). In propulsori operativi si è misurato
sperimentalmente un incremento della velocità angolare della carica di un fattore 2 – 3.
Il coefficiente osservato risulta inferiore rispetto alla previsione teorica a causa degli
attriti espressi dalla (1.1), delle dissipazioni dovute alla turbolenza, dei gradienti di
velocità e della presenza del volume morto ([4], [5]).
Oltre a quanto evidenziato, osservando una sezione della camera è possibile
notare che le velocità tangenziali risultano approssimabili con il profilo dato da un
corpo rigido rotante soltanto con alcune precisazioni. Al termine dell’aspirazione
l’approssimazione è estendibile ad una intera sezione trasversale del cilindro, fatta
eccezione per un sottile strato di fluido in prossimità delle pareti in cui predominano gli
effetti viscosi. In propulsori in cui non sia presente la bowl, inoltre, il profilo di velocità
tangenziale risulta ancora approssimabile con quello di un corpo rigido anche in
prossimità del punto morto superiore ([5]).
Nel caso in cui sia presente la bowl si può osservare all’interno di questa la
persistenza di una stratificazione dello swirl al termine della compressione ([4], [5]). Il
profilo di velocità tangenziale in queste condizioni è assimilabile a quello di un corpo
rigido rotante fino alle pareti della bowl stessa, mentre è diverso all’esterno di essa. Il
fluido compreso tra il cielo dello stantuffo e la testa del propulsore presenta un profilo
di velocità periferica decrescente con l’aumentare del raggio, a causa degli attriti
presenti con le pareti della camera.
( ) ( ) ( ) tttItM eqeqpq cos, =⋅= ω
( )
( )
( ) ( )IVCPMS
DPMSI
DIVCI
eqeq
Beqp
eqp ωω >
∝
∝
4
,
4
,
2
4
2
,
8
+
+
=
D
D
h
z
D
D
h
z
Dm
I
B
B
B
Bc
eqp
CAPITOLO 1 IL MOTO DELLA CARICA NEL CILINDRO
13
Durante le simulazioni eseguite si è osservato il fenomeno descritto all’interno del
propulsore in analisi, ottenendo il profilo di velocità periferica della carica visibile in
figura 1.4.
Figura 1.4 – Profilo di velocità periferica adimensionale del fluido in prossimità del
punto morto superiore al variare della distanza dall’asse del cilindro. L’andamento è stato
ottenuto tramite simulazione CFD. Il raggio esterno della bowl sul cielo dello stantuffo
risulta essere pari a 18 mm, mentre l’alesaggio del cilindro è pari ad 82 mm.
La figura 1.4 mostra la velocità tangenziale del fluido contenuto tra lo stantuffo e
la testa del propulsore al termine della compressione. Si nota in essa come la velocità in
prossimità delle pareti della camera di combustione raggiunga un valore pari a metà del
massimo osservato. Ciò è dovuto agli effetti combinati degli attriti e del moto del fluido
verso la bowl. La figura 1.4 mostra inoltre come l’approssimazione del profilo di
velocità periferica del fluido con quello di un corpo rigido sia valida soltanto fino ad
una distanza di circa 14 mm dall’asse del cilindro. La misura rilevata è prossima alla
dimensione radiale della bowl. Oltre questa distanza si verifica un brusco incremento
della velocità periferica locale causata dell’amplificazione dello swirl all’interno della
bowl e dai moti del fluido che si instaurano in quest’ultima. Uno di tali moti, in grado di
essere influenzato dallo swirl stesso, è lo squish di cui è stata fornita una descrizione al
seguente paragrafo 1.4.
Concludendo le osservazioni riguardanti lo swirl è da segnalare che tale moto
influenza il livello di turbolenza osservato in camera di combustione, incrementandone
l’intensità e diminuendo le macroscale caratteristiche definite nel paragrafo 1.3. Allo
stesso tempo la presenza di swirl è stata correlata alla diminuzione delle fluttuazioni di
velocità ciclo - ciclo ed è attualmente riconosciuta come fenomeno in grado di rendere
la turbolenza piú omogenea ([8], [9]).
CAPITOLO 1 IL MOTO DELLA CARICA NEL CILINDRO
14
1.1.3 - Misura del livello di swirl
La caratterizzazione sperimentale del moto di swirl è estremamente difficoltosa se
si tiene conto della necessità di effettuare delle misure in camere di combustione di
motori operativi. Inoltre il moto della carica nel cilindro non è stazionario e tale aspetto
non facilita la definizione di un indice rappresentativo dell’intensità di swirl. Le
misurazioni eseguite oltretutto non devono influenzare il campo di velocità del fluido, il
che impone l’utilizzo di strumenti ottici per le prove sperimentali, costosi e di difficile
adattamento al propulsore. A causa di questi problemi lo swirl viene normalmente
caratterizzato attraverso delle prove svolte in regime stazionario, dalle quali vengono
estratti degli indici sintetici rappresentativi del moto realizzato nel cilindro.
Uno schema del sistema utilizzato è visibile in figura 1.5.
Figura 1.5 – Schematizzazione della
procedura di analisi stazionaria del moto di
swirl mediante ruota folle a nido d’ape ([1]).
Durante la prova stazionaria di figura 1.5 viene inviato al gruppo condotto –
cilindro un quantitativo costante di aria. In camera viene inoltre posizionata una ruota
folle la quale reca al suo interno dei canali paralleli all'asse cilindro, sagomati a nido
d’ape. Il fluido inviato al condotto di aspirazione del propulsore entra in camera
generando il moto di swirl, essendo poi forzato ad attraversare la ruota folle per
fuoriuscire dal cilindro. Durante il passaggio del fluido nella ruota questo trasferisce ad
essa tutto il proprio momento della quantità di moto, nell'ipotesi che all'uscita della
ruota la carica sia dotata di solo moto rettilineo parallelo all'asse cilindro. Ciò viene
garantito mantenendo ferma la ruota perforata e misurando al contempo la coppia che è
necessario applicare ad essa a tale scopo. Il momento fornito alla ruota per mantenerla
immobile eguaglia così il flusso del momento della quantità di moto istantaneo
CAPITOLO 1 IL MOTO DELLA CARICA NEL CILINDRO
15
trasferito dal fluido alla ruota stessa. In una prova stazionaria tale valore è costante, dato
che la portata di fluido inviata al condotto di aspirazione viene mantenuta costante.
A partire dalla descrizione introdotta è possibile definire il coefficiente di swirl CS
come
(1.4)
dove con TM si è indicata la coppia misurata attraverso il torsiometro solidale alla
ruota perforata mentre con e v0 si sono indicate rispettivamente la portata massica di
aria inviata al condotto e la velocità di efflusso del fluido dal meato valvola.
Quest’ultima è calcolabile in prima approssimazione trascurando la comprimibilità del
fluido aspirato, ottenendo comunque risultati simili alla fenomenologia reale ([4], [10]).
L'utilizzo della ruota folle a nido d'ape porta a risultati più realistici rispetto all'utilizzo
di una ventola libera della quale valutare la velocità di rotazione ([10]).
Quando al contrario della prova stazionaria vengono effettuate misurazioni del
moto del fluido in camera in motori operativi, viene definito un rapporto di swirl RS o
swirl ratio piuttosto che il coefficiente introdotto in (1.4). Lo swirl ratio è il rapporto tra
la velocità angolare di un corpo rigido equivalente al fluido, avente lo stesso momento
della quantità di moto, e la velocità angolare del propulsore. Si ha cioè che
(1.5)
dove con N si è indicato il numero di giri al minuto effettuati dal motore. Effettuando
delle prove sperimentali è possibile tenere conto della non stazionarietà del moto in
camera di combustione e quindi definire un rapporto di swirl per ogni angolo motore in
cui vengano effettuate le misurazioni. Si ottiene così un rapporto RS variabile lungo il
ciclo motore, in grado di rappresentare l’evoluzione temporale del moto medio di swirl
presente in camera.
1.2 - Il moto di Squish
Lo Squish è un moto organizzato del fluido in camera di combustione consistente
in uno spostamento radiale della carica verso l’asse cilindro. Questo movimento si
genera verso il termine della fase di compressione se il cielo dello stantuffo presenta la
bowl o se la testa cilindri è conformata in modo adeguato (a tetto, a cuneo, ecc.).
Il moto di squish è particolarmente importante in quanto viene creato all'interno
della camera in concomitanza con l'avvio del processo di combustione, esercitando su di
esso un’influenza non trascurabile ([2]). Lo squish è in grado di influenzare il processo
di formazione della miscela all'interno della bowl ed allo stesso tempo, unendosi allo
swirl, modifica lo spostamento della carica nella stessa cavità.
Una rappresentazione vettoriale dello squish è visibile in figura 1.6 a pagina
seguente.
0
8
vDm
MC T
s
⋅⋅
⋅
=
•
•
m
N
RS eq
pi
ω
2
=
CAPITOLO 1 IL MOTO DELLA CARICA NEL CILINDRO
16
Figura 1.6 – Rappresentazione vettoriale del campo di velocità all’interno della
bowl in prossimità del punto morto superiore, in una sezione longitudinale dello
stantuffo. Il moto rotatorio della carica creato nella bowl è il moto squish ottenuto
mediante simulazione CFD della fase di compressione.
Nella figura 1.6 è possibile osservare all'interno della bowl la presenza di un moto
organizzato quando lo stantuffo si trova in prossimità del punto morto superiore di
compressione. Considerando la forma tridimensionale della bowl è possibile identificare
un toroide formato dal fluido in moto. Questo è generato dal moto di squish.
Le caratteristiche dello squish vengono normalmente sintetizzate attraverso un
solo parametro geometrico, detto percentuale di area di squish. Esso rappresenta la
percentuale di superficie del cielo dello stantuffo coinvolta direttamente nella
generazione del moto in analisi.
Le porzioni di stantuffo che si avvicinano a distanze minime della testa cilindri
sono le uniche zone del pistone a forzare uno spostamento radiale del fluido verso zone
con spazio disponibile per il gas. Lo spostamento radiale della carica, cioè, dipende in
prima approssimazione dai differenti valori del rapporto di compressione locale di ogni
zona del cielo dello stantuffo. Questa osservazione può essere ricavata osservando le
geometrie tipiche di uno stantuffo e della testa cilindri utilizzate per generare lo squish,
rappresentate in figura 1.7 a pagina seguente.
Partendo dalle osservazioni effettuate è possibile definire la percentuale di
superficie di squish AS come
per un propulsore ad accensione per compressione recante la bowl all’interno dello
stantuffo (figura 1.7 b). Per il propulsore in esame, nota la geometria in studio, si ottiene
una percentuale di superficie di squish pari 0.303, valore tipico di un motore Diesel.
vadim
2
22
D
DD
A BS
−
=
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