F. Bozza R. Cozzolino A. Gimelli A. Unich Consiglio Nazionale delle Ricerche PROGETTO FINALIZZATO TRASPORTI 2 3° CONVEGNO NAZIONALE Taormina, Novembre 1997 GRANDE ALBERGO CAPOTAORMINA Dipartimento di Ingegneria Meccanica per l’Energetica (D.I.M.E.) Università di Napoli “Federico II”

Introduzione 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 3° CONVEGNO NAZIONALE PFT2 Taormina, Novembre 1997 Progetto L’obiettivo può essere conseguito solo: eliminando il cortocircuito di miscela oppure separando i tre flussi suddetti Motore in configurazione tradizionale: Alimentazione con una miscela omogenea di aria, combustibile e lubrificante HC

Introduzione Bozza, Cozzolino, Gimelli e Unich, DIME, Univ. di Napoli Applicazione di un avanzato codice di calcolo…,p. 3 / 21 Consiglio Nazionale delle Ricerche 3° CONVEGNO NAZIONALE PFT2 Taormina, Novembre 1997 Progetto La separazione dei flussi necessita di: Un compressore esterno per l’elaborazione dell’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

Bozza, Cozzolino, Gimelli e Unich, DIME, Univ. di Napoli Applicazione di un avanzato codice di calcolo…,p. 4 / 21 Consiglio Nazionale delle Ricerche 3° CONVEGNO NAZIONALE PFT2 Taormina, Novembre 1997 Progetto Configurazioni innovative proposte

Bozza, Cozzolino, Gimelli e Unich, DIME, Univ. di Napoli Applicazione di un avanzato codice di calcolo…,p. 5 / 21 Consiglio Nazionale delle Ricerche 3° CONVEGNO NAZIONALE PFT2 Taormina, Novembre 1997 Progetto Introduzione 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:

Bozza, Cozzolino, Gimelli e Unich, DIME, Univ. di Napoli Applicazione di un avanzato codice di calcolo…,p. 6 / 21 Consiglio Nazionale delle Ricerche 3° CONVEGNO NAZIONALE PFT2 Taormina, Novembre 1997 Progetto Sommario 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

Bozza, Cozzolino, Gimelli e Unich, DIME, Univ. di Napoli Applicazione di un avanzato codice di calcolo…,p. 7 / 21 Consiglio Nazionale delle Ricerche 3° CONVEGNO NAZIONALE PFT2 Taormina, Novembre 1997 Progetto Schema upwind ai Volumi Finiti del 2° Ordine Tecnica Total Variation Diminishing (TVD) Modello di Flusso 1D Condizioni al contorno: Equazioni di trasporto scalare della frazione di gas residui x r e di combustibile x f per il calcolo corretto della composizione

Bozza, Cozzolino, Gimelli e Unich, DIME, Univ. di Napoli Applicazione di un avanzato codice di calcolo…,p. 8 / 21 Consiglio Nazionale delle Ricerche 3° CONVEGNO NAZIONALE PFT2 Taormina, Novembre 1997 Progetto Il codice di calcolo Andamento della combustione: Processo di lavaggio: Modello multizona turbolento basato 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 opportuni del 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 : Bozza, Cozzolino, Gimelli e Unich, DIME, Univ. di Napoli Applicazione di un avanzato codice di calcolo…,p. 9 / 21 Consiglio Nazionale delle Ricerche 3° CONVEGNO NAZIONALE PFT2 Taormina, Novembre 1997 Progetto Modello dinamico lamelle: 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: con :

Bozza, Cozzolino, Gimelli e Unich, DIME, Univ. di Napoli Applicazione di un avanzato codice di calcolo…,p. 10 / 21 Consiglio Nazionale delle Ricerche 3° CONVEGNO NAZIONALE PFT2 Taormina, Novembre 1997 Progetto Per il calcolo dell’alzata istantanea dell’organo otturatore è usato un approccio simile a quello definito per le lamelle Il codice di calcolo Iniettore semi-automatico: 1. Corpo iniettore 2. Solenoide 3. Valvola a fungo 4. 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)

Bozza, Cozzolino, Gimelli e Unich, DIME, Univ. di Napoli Applicazione di un avanzato codice di calcolo…,p. 11 / 21 Consiglio Nazionale delle Ricerche 3° CONVEGNO NAZIONALE PFT2 Taormina, Novembre 1997 Progetto Simulazione del compressore Scroll Principio di funzionamento: La rotazione eccentrica di una spirale mobile rispetto ad un’altra fissa determina: L’aspirazione di un volume V scr di fluido La compressione di questo fino al volume V in La mandata di fluido attraverso il volume V m Da: atti del Congresso ATI - Settembre 1997

Bozza, Cozzolino, Gimelli e Unich, DIME, Univ. di Napoli Applicazione di un avanzato codice di calcolo…,p. 12 / 21 Consiglio Nazionale delle Ricerche 3° CONVEGNO NAZIONALE PFT2 Taormina, Novembre 1997 Progetto Analisi sul Motore Skipper Piaggio Coeff. di Riempimento Coeff. di Lavaggio Rend. di Lavaggio Max. apertura Farfalla 5710 giri/min

Bozza, Cozzolino, Gimelli e Unich, DIME, Univ. di Napoli Applicazione di un avanzato codice di calcolo…,p. 13 / 21 Consiglio Nazionale delle Ricerche 3° CONVEGNO NAZIONALE PFT2 Taormina, Novembre 1997 Progetto Configurazione A Configurazione tradizionale

Bozza, Cozzolino, Gimelli e Unich, DIME, Univ. di Napoli Applicazione di un avanzato codice di calcolo…,p. 14 / 21 Consiglio Nazionale delle Ricerche 3° CONVEGNO NAZIONALE PFT2 Taormina, Novembre 1997 Progetto Configurazione A Configurazione tradizionale

Bozza, Cozzolino, Gimelli e Unich, DIME, Univ. di Napoli Applicazione di un avanzato codice di calcolo…,p. 15 / 21 Consiglio Nazionale delle Ricerche 3° CONVEGNO NAZIONALE PFT2 Taormina, Novembre 1997 Progetto Configurazione B Scroll per il Lavaggio:  = 1; V scr = 125cm 3

Bozza, Cozzolino, Gimelli e Unich, DIME, Univ. di Napoli Applicazione di un avanzato codice di calcolo…,p. 16 / 21 Consiglio Nazionale delle Ricerche 3° CONVEGNO NAZIONALE PFT2 Taormina, Novembre 1997 Progetto Configurazione C Scroll per il Lavaggio e l’iniezione  = 1; V scr = 147cm 3 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 pneumatico ed 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!!

Bozza, Cozzolino, Gimelli e Unich, DIME, Univ. di Napoli Applicazione di un avanzato codice di calcolo…,p. 17 / 21 Consiglio Nazionale delle Ricerche 3° CONVEGNO NAZIONALE PFT2 Taormina, Novembre 1997 Progetto Configurazione D Scroll per l’iniez.  = 2.33; V scr = 22 cm 3

Bozza, Cozzolino, Gimelli e Unich, DIME, Univ. di Napoli Applicazione di un avanzato codice di calcolo…,p. 18 / 21 Consiglio Nazionale delle Ricerche 3° CONVEGNO NAZIONALE PFT2 Taormina, Novembre 1997 Progetto Configurazione E Scroll 1: Lavaggio Scroll 2: Iniezione

Confronto tra le varie configurazioni Bozza, Cozzolino, Gimelli e Unich, DIME, Univ. di Napoli Applicazione di un avanzato codice di calcolo…,p. 19 / 21 Consiglio Nazionale delle Ricerche 3° CONVEGNO NAZIONALE PFT2 Taormina, Novembre 1997 Progetto 2.7.1

Bozza, Cozzolino, Gimelli e Unich, DIME, Univ. di Napoli Applicazione di un avanzato codice di calcolo…,p. 20 / 21 Consiglio Nazionale delle Ricerche 3° CONVEGNO NAZIONALE PFT2 Taormina, Novembre 1997 Progetto Conclusioni 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

Bozza, Cozzolino, Gimelli e Unich, DIME, Univ. di Napoli Applicazione di un avanzato codice di calcolo…,p. 21 / 21 Consiglio Nazionale delle Ricerche 3° CONVEGNO NAZIONALE PFT2 Taormina, Novembre 1997 Progetto Conclusioni 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’attenzione