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Tesi di Laurea di Relatore Gianmarco Aversano Gaetano Continillo Correlatrice Correlatrice Katarzyna Bizon Katarzyna Bizon UNIVERSITÀ DEGLI STUDI DEL SANNIO.

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1 Tesi di Laurea di Relatore Gianmarco Aversano Gaetano Continillo Correlatrice Correlatrice Katarzyna Bizon Katarzyna Bizon UNIVERSITÀ DEGLI STUDI DEL SANNIO FACOLTÀ DI INGEGNERIA Corso di Laurea in Ingegneria Energetica Lavoro di tesi realizzato in collaborazione con lIstituto Motori – CNR di Napoli

2 Premessa 2 Lattività di ricerca svolta durante il lavoro di tesi presso lIstituto Motori del CNR di Napoli si concentra sulla caratterizzazione dei getti di combustibile di un motore Diesel sperimentale ad accesso ottico con iniettore solenoidale ad otto getti. Lattività in esame ha previsto la conduzione di prove sulliniettore per lacquisizione di dati relativi alla penetrazione degli spray di combustibile e alle prestazioni del motore, tra cui appunto immagini relative agli spray, acquisite tramite luso di una fotocamera a colori con tecnologia CCD. Istituto Motori, Napoli.

3 Sommario 3 Il motore Diesel ad accesso ottico Il motore Diesel ad accesso ottico Sistema diniezione del motore Sistema diniezione del motore Grafici relativi alla penetrazione del getto Grafici relativi alla penetrazione del getto Analisi del processo di combustione Analisi del processo di combustione Caratterizzazione del getto secondo lapproccio dei contorni attivi Caratterizzazione del getto secondo lapproccio dei contorni attivi

4 Motore Diesel otticamente accessibile 4 Motore Diesel monocilindrico 4 tempi otticamente accessibile equipaggiato con la testata di un motore reale, Euro 5 in termini di emissioni, dotato di un sistema di iniezione Common Rail di ultima generazione. Iniettore solenoidale ad 8 getti.

5 Motore Diesel otticamente accessibile 5 Un motore ottico consente di esplorare i processi termici e fluidodinamici, come il processo diniezione, moto dellaria, formazione della miscela, combustione, per poi intervenire in maniera quantitativa sui parametri che permettono di migliorare le prestazioni del motore.

6 Il pistone 6

7 7 Liniettore del motore ad accesso ottico è un iniettore solenoidale ad otto getti comandato in corrente elettrica. Gli iniettori solenoidali sono alimentati in modo permanente da combusti- bile, in modo che la pressione esercitata da questultimo, pari a quella di linea fornita dal rail, e la forza elastica esercitata dalla molla garantiscano la chiusura delliniettore. Liniettore

8 8 Esempi di immagini di iniezione e combustione acquisite con telecamera CCD su software Visioscope. Iniezione Combustione Frequenza = 25 Hz Acquisizione delle immagini

9 9 Struttura dello spray per motore Diesel Grandezze fondalmentali: A - Angolo di cono - Lunghezza di break-up - Penetrazione del getto - Distribuzione e dimensioni delle gocce di combustibile Teoria dei getti

10 10 Vaporizzazione gocce di combustibile Velocità di vaporizzazione della goccia di combustibile e quella di diffusione in aria in competizione con la velocità dinizio della combustione. Le prime gocce di combustibile iniettate avranno più tempo, rispetto alle ultime, per vaporizzare, miscelarsi con il comburente (aria) e reagire (combustione). Fiamma premiscelata: Le prime gocce di combustibile iniettate avranno più tempo, rispetto alle ultime, per vaporizzare, miscelarsi con il comburente (aria) e reagire (combustione). Teoria dei getti

11 11 Vaporizzazione gocce di combustibile Le ultime quantità di combustibile iniettato non avranno il tempo necessario per vaporizzare completamente, troveranno infatti una preesistente combustione al loro ingresso in camera. Fiamma a diffusione: Le ultime quantità di combustibile iniettato non avranno il tempo necessario per vaporizzare completamente, troveranno infatti una preesistente combustione al loro ingresso in camera. Con lavanzare del processo diniezione, il tempo a disposizione del gasolio per vaporizzare sarà minore: la combustione inizierà quando la goccia di combustibile non sarà ancora del tutto vaporizzata. Si formerà quindi una zona dintensa attività chimica attorno la goccia, finché lapporto di vapore fresco verso tale zona di combustione non diminuirà. A tal punto, la fiamma collasserà su se stessa prima ancora che la goccia sia completamente evaporata lasciando un nucleo incombusto. Teoria dei getti

12 12 Ciclo di pressione, velocità di rilascio del calore, corrente alliniettore È possibile notare un brusco incremento nellandamento della pressione causato dalla presenza della combustione. In corrispondenza degli stessi valori di angolo di manovella, è infatti possibile notare anche un repentino aumento della velocità di rilascio del calore, nonché linvio dei segnali in corrente alliniettore.

13 Analisi del processo di combustione giri/minuto: IMEP 2 bar 2000 giri/minuto: IMEP 5 bar

14 Caratterizzazione del getto 14 Misurazioni penetrazione del combustibile

15 15 Caratterizzazione del getto Importanza di un elevato valore della penetrazione del getto Formazione di una miscela omogenea Formazione di una miscela omogenea Miglior contatto combustibile - comburente Miglior contatto combustibile - comburente Miglior efficienza del processo di combustione: combustione più completa Miglior efficienza del processo di combustione: combustione più completa Minor produzione di incombusti e di inquinanti Minor produzione di incombusti e di inquinanti Combustione lontana dagli ugelli delliniettore Combustione lontana dagli ugelli delliniettore Ma attenzione allimpatto dei getti sulle pareti del cilindro.

16 16 Caratterizzazione del getto Le misure appena presentate e relative allandamento nel tempo del valore della penetrazione dei getti sono state effettuate a mano sulle immagini fotografiche. Con lo scopo di meccanizzare le misure, ci si è avvalsi successivamente dellapproccio dei contorni attivi, recentemente introdotto dal gruppo di ricerca dellUniversità del Sannio, ed in corso di sviluppo.

17 Contorni attivi 17 Le tecniche di individuazione del contorno sono attualmente usati in diversi ambiti: visione robotica, riconoscimento facciale e delle impronte digitali, analisi di immagini mediche.

18 Contorni attivi 18 Le tecniche di individuazione del contorno sono attualmente usati in diversi ambiti: visione robotica, riconoscimento facciale e delle impronte digitali, analisi di immagini mediche. Grazie allimplementazione di un algoritmo in ambiente Matlab, è stato possibile stimare il contorno dei getti di combustibile, a partire da una curva iniziale, di tentativo, fornita in input dallutente.

19 Contorni attivi 19 Il contorno attivo (snake) è quindi una curva parametrica tempo- variante che, una volta inizializzata, evolve nel dominio spaziale dellimmagine fino a convergere verso dei punti di minimo locale di un funzionale energetico, ossia verso il contorno del getto, ed è così definita: v(s, t) = [ x(s, t); y(s, t) ] v(s, t) = [ x(s, t); y(s, t) ] con S che varia tra 0 e 1. Allo snake è quindi associata unenergia: E snake = E interna + E esterna Snakes

20 Contorni attivi 20 Snakes Lenergia interna è scomponibile secondo due aliquote: α: coefficiente di elasticità; β: coefficiente di rigidità. Energia elastica: se minimizzata, riduce la lunghezza complessiva dello snake. Energia di curvatura: tendenza dello snake ad opporsi alle modifiche della sua curvatura e a non consentire la formazione di angoli.

21 Contorni attivi 21 I : la luminosità dellimmagine G σ : kernel di un filtro gaussiano di deviazione standard σ. k: parametro che può essere modificato a piacimento dallutente, in modo variare il peso del contributo dellenergia esterna. in modo variare il peso del contributo dellenergia esterna. Equazione di Eulero-Lagrange:

22 Contorni attivi 22 Linea direzionale Come utilizzare la linea direzionale (a) in una immagine con oggetto che presenta concavità (b). Il campo modificato dalla linea (d) porta ad un risultato più accurato (f) rispetto al campo senza luso della linea direzionale (c) che porta al risultato (e).

23 Contorni attivi: limiti dellalgoritmo 23 La versatilità dellalgoritmo è anche uno dei suoi punti deboli: lo snake può seguire qualsiasi tipo di contorno e assumere forme complesse, ma deve necessariamente essere guidato da un utente in grado di gestire in modo ottimale la molteplicità di parametri liberi che lalgoritmo offre. Questo però non sminuisce il fatto che, una volta trovati i parametri ottimali per lo studio, si possano ottenere risultati notevolmente migliori rispetto ad altre tecniche di segmentazione più elementari. FUTURE APPLICAZIONI: Meccanizzare le misure da effettuarsi sui getti: penetrazione e angolo di cono.

24 Contorni attivi: risultati 24 1) 3) 2) 4)

25 Contorni attivi: risultati 25 Swirl In questa immagine è possibile notare come il getto, verso la sua estremità, presenti una curvatura, determinata dal sistema di generazione del moto di swirl. Con il termine swirl viene definito il moto rotatorio dellaria su un piano perpendicolare allasse del cilindro. Il sistema di generazione dello swirl genera appunto questo campo di moto secondario grazie alla geometria particolare delle Intake Ports (condotti daspirazione dellaria).

26 Contorni attivi: obbiettivi 26 Come detto, uno degli obbiettivi principali dello studio effettuato è quello di meccanizzare la caratterizzazione geometrica dei getti di combustibile, per poter poi intervenire su quei parametri che possono migliorare le prestazioni del Diesel. Lo studio svolto sullimplementazione di tale algoritmo ha dato un buon contributo agli studi precedentemente effettuati. In particolare, si è notato come lintroduzione della linea direzionale abbia portato a risultati molto più soddisfacenti dei precedenti. Tuttavia, lalgoritmo ancora non consente la completa automatizzazione delle misure necessarie.

27 27 UNIVERSITÀ DEGLI STUDI DEL SANNIO FACOLTÀ DI INGEGNERIA Corso di Laurea in Ingegneria Energetica Grazie per lattenzione Tesi di Laurea di Relatore Gianmarco Aversano Gaetano Continillo Correlatrice Correlatrice Katarzyna Bizon Katarzyna Bizon


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