F. Bozza R. Cozzolino A. Gimelli A. Unich Consiglio Nazionale delle Ricerche PROGETTO FINALIZZATO TRASPORTI 2 3° CONVEGNO NAZIONALE Taormina, 10-12 Novembre

F. Bozza R. Cozzolino A. Gimelli A. Unich

Consiglio Nazionale Consiglio Nazionale delledelle Ricerche Ricerche

PROGETTO FINALIZZATO TRASPORTI 2PROGETTO FINALIZZATO TRASPORTI 2

3° CONVEGNO NAZIONALETaormina, 10-12 Novembre 1997

GRANDE ALBERGO CAPOTAORMINA

Dipartimento di Ingegneria Meccanica per l’Energetica (D.I.M.E.)

Università di Napoli

“Federico II”

IntroduzioneIntroduzione

Realizzazione di un prototipo di motore 2T monocilindrico caratterizzato da contenute emissioni inquinanti (in particolare di HC)

Obiettivo del progetto di ricerca:

Bozza, Cozzolino, Gimelli e Unich, DIME, Univ. di Napoli Applicazione di un avanzato codice di calcolo…, p. 2 / 21

Consiglio Nazionale delle Ricerche Consiglio Nazionale delle Ricerche 3° CONVEGNO NAZIONALE PFT23° CONVEGNO NAZIONALE PFT2Taormina, Novembre 1997Taormina, Novembre 1997Progetto 2.7.1Progetto 2.7.1

L’obiettivo può essere conseguito solo:

eliminando il cortocircuito di miscela oppure separando i tre flussi suddetti

Motore in configurazionetradizionale:

Alimentazione con una miscela omogenea di aria, combustibile e lubrificante

HC

IntroduzioneIntroduzione



La separazione dei flussi necessita di: Un compressore esterno per l’elaborazionedell’aria di lavaggio in assenza di lubrificante Iniezione di combustibile (pneumatica o diretta) nel cilindro a chiusura luci di scarico

Compressore esterno di lavaggio:Indagini precedenti hanno dimostrato i particolari vantaggi derivanti dall’adozione di un compressore a spirale orbitante (Scroll)

Iniezione pneumatica di combustibile:E’ in fase di sperimentazione presso il DIME un elettroiniettore semi-automatico assistito ad aria fornita da un secondo piccolo compressore



Scroll

CPneumatica

Iniezione Scroll

DIniez. pneum.

Scroll 2

EIniez. pneum.

Scroll 1 aria + comb.premiscelataaria + comb. iniezione pneum.

aria

aria + lubrificante

aria + comb. +lubrificante

Configurazioni innovative

proposte

Configurazioni innovative

proposte

Scroll

B


Consiglio Nazionale delle Ricerche Consiglio Nazionale delle Ricerche 3° CONVEGNO NAZIONALE PFT23° CONVEGNO NAZIONALE PFT2Taormina, Novembre 1997Taormina, Novembre 1997Progetto 2.7.1Progetto 2.7.1 IntroduzioneIntroduzione

Il disegno e l’analisi delle numerose possibili architetture del motore e dei suoi componenti solo per via sperimentale è improponibile

Scopo del lavoro:Sviluppo di un avanzato codice di calcolo ai fini dell’analisi delle prestazioni ottenibili dalle diverse configurazioni motoristiche innovative

Scartare una serie di soluzioni manifestamente irrealizzabili Orientare le attività sperimentali verso una prima soluzione ottimale (se esistente) Ottenere informazioni sul dimensionamento di massima dei singoli componenti

Obiettivo delle analisi numeriche:


Consiglio Nazionale delle Ricerche Consiglio Nazionale delle Ricerche 3° CONVEGNO NAZIONALE PFT23° CONVEGNO NAZIONALE PFT2Taormina, Novembre 1997Taormina, Novembre 1997Progetto 2.7.1Progetto 2.7.1 SommarioSommario

Organizzazione della presentazione: DESCRIZIONE DEL CODICE DI CALCOLO:

Modello di Flusso 1D Ulteriori sottomodelli numerici

VALIDAZIONE DEL MODELLO - Conf. A: Sperimentazione su motore tradizionale Confronto con i dati sperimentali

CONFIGURAZIONI ALTERNATIVE: Analisi delle architetture B, C, D, E Discussione dei risultati

CONCLUSIONI



f

r

f

r

f

r

ux

ux

DquH

uuDfu

u

ux

ux

uH

pu

u

x

x

E

u

4

2

22

SFU

Schema upwind ai Volumi Finiti del 2° Ordine Tecnica Total Variation Diminishing (TVD)

Modello di Flusso 1D

Modello di Flusso 1D

(direzione di flusso positivo)

er

p

Too

e r

p

To

ou-a u+a

(a) flusso entrante nel condotto

e r

p

er

pu u

u-a u+a

(b) flusso uscente dal condotto

Condizioni al contorno:

SUFU

xt

Equazioni di trasporto scalare della frazione di gas residui xr e di combustibile xf per il calcolo corretto della composizione



Il codice di calcolo


Andamento della combustione:

Processo di lavaggio:

Modello multizona turbolentobasato su una schematizzazione Frattale del fronte di fiamma

Velocità laminare di fiamma dipendente dal rapporto di miscela e dalla frazione di gas residui

Modello a due zone (gas combusti e miscela fresca) con parziale mescolamento per valori opportunidel coefficiente di lavaggio

Intensità di turbolenza proporzionale alla velocità di rotazione del motore

Ogni petalo della valvola a lamelle è assimilato ad una trave incastrata soggetta ad un carico distribuito, q:



dppq 0201

Modello dinamico lamelle:



Dal valore di x si deduce l’area di passaggio istantanea utilizzata per il calcolo della portata aspirata dal carter-pompa

Lo spostamento x dell’estremità è calcolato con uno schema a massa concentrata con molla e smorzatore:

lqF 83

3

3l

IEk z

x

q

l d

Fkxdtdx

dtxd

m 2

2

con:



Per il calcolo dell’alzata istantanea dell’organo otturatore è usato un approccio simile a quello definito per le lamelle



Iniettore semi-automatico:

1. Corpo iniettore2. Solenoide3. Valvola a fungo4. Ingresso miscela ricca

Modello dinamico della valvola a fungo:

L’integrazione dell’equazione dinamica viene effettuata solo a partire dall’istante in cui il solenoide viene diseccitato

(ideato e progettato presso il DIME)



Vin

Vm

Vscr

Simulazione del compressore

Scroll

Simulazione del compressore

Scroll

CalcolatoSperimentale

2000 giri/min

4

6

8

10

3Apertura regolatore

di flusso =

Principio di funzionamento:La rotazione eccentrica di una spirale mobile rispetto ad un’altra fissa determina: L’aspirazione di un volume Vscr di fluido La compressione di questo fino al volume Vin

La mandata di fluido attraverso il volume Vm

Comp. Scroll - 1000 rpm - sfasamento 0°

in

A.S. A.T. C.T. C.S.

p. calc. VCalcolatoSperimentale

miscelamento

in

Da: atti del Congresso ATI - Settembre 1997



Alesaggio x Corsa 52mm x 55mmCilindrata 123.5cm3

Rapp.Compr. 10.2:1Ammissione LamellareLavaggio A correnti incrociate

Analisi sul Motore Skipper

Piaggio

Analisi sul Motore Skipper

Piaggio

2500 3500 4500 5500 6500Velocità di rotazione, giro/min

0.25

0.50

0.75

1.00

500

600

700

800

Co

ns.

Sp

ec.,

g/k

Wh

0

2

4

6

8

Po

ten

za, k

W

7

8

9

10

11

Co

pp

ia, N

m

Coeff. di Riempimento

Coeff. di Lavaggio

Rend. di Lavaggio

Max. apertura Farfalla5710 giri/min

Cilindro

Scarico

Carter

Aspiraz.

Travaso

TO TCEO EC



SperimentaleCalcolato

TO TCEO EC

5710 giri/minMax. apertura Farfalla

Configurazione A

Configurazione A

Configurazionetradizionale

Coeff. di riempimento

Rend. di Lavaggio

Coeff. di Lavaggio

0,643

0,527

Livelli

0,819

Sperim.

TC ECTO


Consiglio Nazionale delle Ricerche Consiglio Nazionale delle Ricerche 3° CONVEGNO NAZIONALE PFT23° CONVEGNO NAZIONALE PFT2Taormina, Novembre 1997Taormina, Novembre 1997Progetto 2.7.1Progetto 2.7.1 Configurazione

AConfigurazione

A

Configurazionetradizionale

refin mm

intr mm

reftr mm


Rend. di LavaggioCoeff. di Lavaggio

TC ECTO

LivelliConf. A



CilindroScarico

ScrollTravaso

TO TCEO EC

Configurazione B

Configurazione B

Scroll

Scroll per ilLavaggio:

= 1; Vscr= 125cm3


Consiglio Nazionale delle Ricerche Consiglio Nazionale delle Ricerche 3° CONVEGNO NAZIONALE PFT23° CONVEGNO NAZIONALE PFT2Taormina, Novembre 1997Taormina, Novembre 1997Progetto 2.7.1Progetto 2.7.1 Configurazione

CConfigurazione

C

Scroll

CPneumatica

Iniezione

Scroll per ilLavaggio e l’iniezione

= 1; Vscr= 147cm3

L’analisi numerica condotta ha portato a ritenere tale soluzione irrealizzabile!

Problemi incontrati:

La limitata pressione massima raggiunta dallo Scroll con =1 causa una ridotta apertura dell’iniettore pneumaticoed un funzionamento fortemente irregolare

Sostituendo la valvola semi-automatica con una comandata di dimensioni opportune si è invece ottenuto un funzionamento normale

Tale modifica (Schema tipo IAPAC) determina ulteriori complicazioni costruttive.

Soluzione scartata!!



ScrollVol. Vm

ScrollVol. Vin

Cilindro

Area valv.semi-autom.

Ap. Teli

Iniezione

Configurazione D

Configurazione DRend. di Lavaggio

TC ECTO

Coeff. di Lavaggio


Iniezione

LivelliConf. A

Scroll per l’iniez. = 2.33; Vscr= 22 cm3



Fine comb.

Gas Incombusti

Gas combusti

Lavaggio adue zone

Inizio comb.

Configurazione E

Configurazione E

1

2

Scroll 1: LavaggioScroll 2: Iniezione

Rend. di Lavaggio

Coeff. di Lavaggio

TC ECTO

Iniezione


LivelliConf. A

Config. A (pmi = 6,44 bar)

Config. B (pmi = 8,07 bar)

Config. D (pmi = 8,62 bar)

Config. E (pmi = 9,89 bar)

Dati calc.Config. A

Dati calc.Config. B

Dati calc.Config. D

Dati calc.Config. E

Portata gas di scarico [kg/h] 44,32 41,92 53,82 49,65Coefficiente di lavaggio 0,856 0,802 1,031 0,932Rendimento di lavaggio 0,598 0,790 0,644 0,812Coefficiente di riempimento 0,512 0,634 0,664 0,757

Confronto tra le varie

configurazioni

Confronto tra le varie

configurazioni





ConclusioniConclusioni

La procedura numerica messa a punto ha presentato livelli predittivi molto soddisfacenti su un motore in configurazione tradizionale

Ciò lascia presupporre che l’analisi delle configurazioni alternative possa considerarsi almeno qualitativamente corretta

Relativamente al codice di calcolo:

Principali risultati: La semplice sostituzione del carter-pompa con un compressore scroll di pari cilindrata sembra particolarmente vantaggiosa La completa separazione dei flussi di aria combustibile e lubrificante può realizzarsi solo con l’adozione di 2 compressori scroll (per l’iniezione ed il lavaggio, Configurazione E)

…continua



ConclusioniConclusioni

Una rapida apertura dell’elettro-iniettore semi-automatico ha richiesto, nella simulazione svolta, pressioni di iniezione intorno a 8-9 bar

Principali risultati:

Sviluppi futuri: La progettazione e la realizzazione, in parte avviata, dei due scroll con un unico asse di rotazione e meccanismo di azionamento

La verifica sperimentale del funzionamento dell’elettro-iniettore semi-automatico

La progettazione e la realizzazione di un prototipo avvalendosi di ulteriori analisi numeriche per la definizione di soluzioni ottimali

Grazie per l’attenzioneGrazie per l’attenzione

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