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:
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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
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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
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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
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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:
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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
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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
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Il codice di calcolo
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:
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dppq 0201
Modello dinamico lamelle:
Il codice di calcolo
Il codice di calcolo
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:
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Per il calcolo dell’alzata istantanea dell’organo otturatore è usato un approccio simile a quello definito per le lamelle
Il codice di calcolo
Il codice di calcolo
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)
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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
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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
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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
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AConfigurazione
A
Configurazionetradizionale
refin mm
intr mm
reftr mm
Coeff. di riempimento
Rend. di LavaggioCoeff. di Lavaggio
TC ECTO
LivelliConf. A
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CilindroScarico
ScrollTravaso
TO TCEO EC
Configurazione B
Configurazione B
Scroll
Scroll per ilLavaggio:
= 1; Vscr= 125cm3
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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!!
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ScrollVol. Vm
ScrollVol. Vin
Cilindro
Area valv.semi-autom.
Ap. Teli
Iniezione
Configurazione D
Configurazione DRend. di Lavaggio
TC ECTO
Coeff. di Lavaggio
Coeff. di riempimento
Iniezione
LivelliConf. A
Scroll per l’iniez. = 2.33; Vscr= 22 cm3
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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
Coeff. di riempimento
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
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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
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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