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F. Bozza M.C. Cameretti R. Tuccillo
52° Congresso Nazionale A.T.I.52° Congresso Nazionale A.T.I.Villa Erba, Cernobbio, Villa Erba, Cernobbio, Settembre 1997Settembre 1997
Dipartimento di Ingegneria Meccanica
per l’Energetica (D.I.M.E.)
Università di Napoli “Federico II”
Naples, Italy
E’ presentato un metodo per l’impiego coordinato di due tipologie di modelli di MCI:
Un modello di Flusso 1D nei condotti Un modello 3D nel cilindro motore
IntroduzioneIntroduzione
Consentire un’analisi dei fenomeni interni al cilindro senza dover rinunciare allo studio del comportamento dell’intero sistema
Un esempio di applicazione:Attivazione del sistema di ricircolo dei gas di scarico (EGR) per il contenimento degli NO in un MCI diesel turbo-sovralimentato
Obiettivo della procedura:
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IntroduzioneIntroduzione
Caratteristiche e Schema del Motore:
C4 C3 C2 C1
CT
IC
EGR
A1
A2 A4 A6A3 A5 A7
E6E4E2
E3 E5E7
E1 E8
posizione sonde di pressione
aria
gas combusti
Sommario: Modello completo del motore
Descrizione Modello di Flusso 1DCalcolo Giunzioni e Test-CaseSimulazione 1D del motore (senza EGR)
Procedura integrataModifiche al Modello 3D (KIVA II)Applicazione al funzionamento con EGR
Risultati e conclusioni
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Portata corretta, [kg/s]
tts
vel.corretta[giri/min]
Apertura Turbina [%]
Turbina
0.00 0.25 0.50 0.75
Modello completo del
sistema
Modello completo del
sistema
Portata corretta, [kg/s]
ctt
vel.corretta[giri/min]
Compressore
Mappe del Turbocompressore:da prove effettuate all’Università di Genova
Codice di tipo modulare in grado di simulare le principali configurazioni motoristiche:
Modello di Flusso 1D nei condotti Tecnica “Filling&Emptying” nei cilindri Correlazioni teorico-sperimentali per la simulazione della combustione Equilibrio dinamico del Turbocompressore mediante l’impiego delle mappe operative
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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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Modello di Bingham & Blair:
Flusso entrante:Flusso uscente:
nucpp nnnnk 2*
Nnc nn ,1 0,
1676.1
6.1max
Calcolo Giunzioni
Calcolo Giunzioni
Giunzione generica:
Modelli della Giunzione: kpp kk 0* A pressione costante:
* 0* kmpp mk
n
n=Nm=M
n=1
m=1
k* uscenteflusso
entranteflusso
nK=numero di rami totale
N=rami con flusso uscente
M=rami con flusso entrante
n=ramo con flusso uscente [1..N]
m=Ramo con flusso entrante [1..M]
k=generico ramo [1..K]
kpp kk * Correlazione Sperimentale
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953087010014070
83
200
30 2766
60
73
88
50.4
Giunzione
ramo 2
ramo 3
Trasduttore
ramo 1
Verifica Modello 1D
Verifica Modello 1DTest-case:
Flusso in un condotto di scarico di un motore diesel monocilindro:
coefficiente CFL 0.8coefficiente di attrito 0.008coeff. scambio term., W/m
2K 180
numero di nodi ramo 1 74numero di nodi ramo 2 10numero di nodi ramo 3 31
Nessuna correzione è stata introdotta per le lunghezze dei 3 rami del condotto
Parametri numerici:
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Risultati Test-case
Risultati Test-case
(a)
(b)
Giunzione: Modello a pressione costante
Schema TVDpresente lavoro
Giunzione: Modello a pressione costante
Schema ENO-SRda Giannattasio [12]
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Risultati teorici
Dati sperimentalida Ferrari e Onorati, Politecnico di Milano
(d)
(c)
Giunzione: Modello di Bingham&Blair
Schema TVDpresente lavoro
Giunzione: Correlaz. Sper. di Dadone [14]
Schema TVDpresente lavoro
Risultati Test-case
Risultati Test-case
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Risultati teorici
Dati sperimentalida Ferrari e Onorati, Politecnico di Milano
Risultati Test-case
Risultati Test-case
(a)
(d)
Giunzione: Modello di Bingham&Blair
Schema TVDpresente lavoro
Giunzione: Modello a pressione costante
Schema ENO-SRda Giannattasio [12]
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Risultati teorici
Dati sperimentalida Ferrari e Onorati, Politecnico di Milano
(b)Giunzioni a p. cost.Perdita nelle giunz.
Angolo di Manovella, gradi
Coll. di scarico
Coll. di aspirazione
(a)
Giunzioni a p. cost.Perdita nelle giunz.
Angolo di Manovella, gradi
Simulazione 1D del Motore
pluricilindro
Simulazione 1D del Motore
pluricilindroP
ress
ione
, ba
rV
el.
Tur
boco
mpr
., r
pm
x10-3
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Simulazione 1D del Motore
pluricilindro
Simulazione 1D del Motore
pluricilindroNumerico
Sperimentale 3000 giri/min Coppia Max.
Coll. di scarico (c)
Angolo di Manovella, gradi
Tronchetto di aspirazione(b)
Cilindro C2
Angolo di Manovella, gradi
Pre
ssio
ne
, bar
Pre
ssio
ne
, bar
Coll. di aspirazione(a)
Angolo di Manovella, gradi
Portata corretta, [kg/s]
ctt
vel.corretta[giri/min]
Compressore
Pre
ssio
ne
, bar
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Cilindro C2
SperimentaleNumerico
Simulazione 1D del Motore
pluricilindro
Simulazione 1D del Motore
pluricilindro
Sper. Num.Vel. turbocompr., giri/min 130600 134300rapp. di compressione 1.894 1.856rapp. di espansione 1.875 1.972portata aspirata, kg/h 279.1 279.9rapp. aria/combustibile 22.88 22.95Coppia, Nm 169.6 142.8Potenza, kW 53.3 44.9Consumo spec., g/kWh 228.9 271.9
Prestazioni complessive:
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Necessità di una procedura integrata
Necessità di una procedura integrata
La validità delle correlazioni impiegate per la simulazione della combustione è limitata a condizioni operative normali
In condizioni operative non convenzionali (ad es. con EGR) o per il calcolo anche delle emissioni è opportuno utilizzare modelli Fluidodinamici 3D dei fenomeni nel cilindro
Limiti dell’approccio descritto:
Elevati tempi di calcolo possono limitare l’analisi alla sola fase a valvole chiuse
Problemi dei modelli 3D:
E’ necessario conoscere lo stato termo-dinamico iniziale a chiusura valvola di aspirazione (CVA) e quindi le condizioni
operative del sovralimentatore
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La legge di rilascio del calore di combust. e quello trasferito alle pareti sono desunti dal calcolo 3D (KIVA) :
dt
dhm
d
dhm
dt
d
d
dmLHV
ns
s
oss
of
injf
cmbf
1
)()(
dATThQ wcw )(
Procedura Integrata Procedura IntegrataCondizioni Iniziali P,T,m,EGR a CVA
KIVA
Mod. 1D
Nuove Condizioni a CVA
?
ConvergenzaConvergenza
Legge di rilascio del calore
La procedura integrata proposta consente di superare i limiti di entrambi i modelli
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Il Modello 3D Il Modello 3D
Si utilizzano, per la velocità di iniezione, dati sperimentali di alzata spillo e press. di iniez.
Si è utilizzato il codice KIVA II modificato dagli autori in diversi sottomodelli:
Processo di iniezione del combustibile Calcolo del tempo di ritardo all’accensione Processo di formazione dei NO termici
Iniezione del combustibile:
E’ stata introdotta la correlazione di Stringer Tempo di ritardo all’accensione:
Algoritmo per il calcolo dei NO:Le equazioni dello schema cinetico di Zel’dovich sono risolte simulataneamente utilizzando un metodo predittore-correttore
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Applicazione al funzionamento con
EGR
Applicazione al funzionamento con
EGR
Condiz. a chiusuraValvola di Aspirazione
EGR=0 EGR-1 EGR-2 EGR-3
Temperatura, K 418.4 435.0 429.7 431.6Pressione, bar 2.11 1.75 1.87 1.97Massa intrapp., g/cil./ciclo 0.803 0.645 0.690 0.725Frazione Gas Residui, % 3.72 15.0 7.84 7.87Rapp. Aria / Comb. 22.95 17.5 18.57 19.58Concentrazione di NO, p.p.m. 631.4 ? ? 357.7
Accoppiamento colTurbocompressore
EGR=0 EGR-1 EGR-2 EGR-3
Vel.Turbo 10-3, giri/min 134.3 116.8 123.4 124.8Rapp. di sovralimentaz. 1.86 1.64 1.73 1.75Portata di aria, kg/h 279.9 226.7 238.8 240.9Portata gas ricircolo, kg/h 0.0 16.4 16.9 17.0Temp. ingresso Turb., K 776.3 805.3 822.9 826.6Press. ingresso Turb., bar 2.64 2.27 2.37 2.39
Mo
d. 1
DK
IVA
Calcolo completamente teorico delle condizioni operative del motore in presenza di EGR (a pari massa di combust. iniettato)
L’intera procedura ha richiesto 3 calcoli 3D (EGR-1, -2, -3) ed altrettanti run del mod. 1D
Condizioni operative ottenute:
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Applicazione al funzionamento con
EGR
Applicazione al funzionamento con
EGR(a)
EGR-1 EGR-2
EGR=0
EGR-3
Run 3D
Vel
. T
urbo
., r
pmx1
0-3
Cicli di Calcolo
Pre
ssio
ne,
bar
Angolo di Manovella, gradi
EGR=0EGR-1EGR-2EGR-3
aspirazione
scarico
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Applicazione al funzionamento con
EGR
Applicazione al funzionamento con
EGR
-50 -40 -30 -20 -10 0 10 20 30 40 50
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
110
120
130
-45 -30 -15 0 15 30 45 60 75 90
700
800
900
1000
1100
1200
1300
1400
1500
1600
1700
EGR=0EGR-1EGR-2EGR-3
Pressione, bar Temperatura, K
Angolo di Manovella, gradi
-20 0 20 40 60 80 100 120 140
0.00
0.20
0.40
0.60
0.80
1.00
-10 0 10 20 30 40 50
0
200
400
600
800
EGR=0
EGR-3
Concentraz. di NO, ppmRilascio del calore netto
Angolo di Manovella, gradi
Angolo di Manovella, gradiAngolo di Manovella, gradi
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Distribuzione di NO in camera di combustione
Distribuzione di NO in camera di combustione
10° dPMS
0
2 0 0 0
4 0 0 0
6 0 0 0
8 0 0 0[NO] ppm
A A
Sez. A-A
Sez. B-B
B B
EGR=0
EGR-3
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Conclusioni Conclusioni
Si è messo a punto e verificato un modello di Flusso 1D incluso poi in un modello generale per motori diesel sovralimentati
I risultati della simulazione del motore in condizioni di funzionamento normali sono in buon accordo con la sperimentazione
La procedura integrata per l’analisi del funzionamento con EGR ha consentito di superare i classici limiti dei modelli adoperati
Lo scambio reciproco di informazioni tra mod. 1D e 3D permette in definitiva di incrementare l’accuratezza complessiva del calcolo.
Modello 1D completo del motore:
Procedura integrata 1D - 3D:
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(b)Giunzioni a p. cost.Perdita nelle giunz.
Angolo di Manovella, gradi
Coll. di scarico
Coll. di aspirazione
(a)
Giunzioni a p. cost.Perdita nelle giunz.
Angolo di Manovella, gradi
Pre
ssio
ne
, bar
Ve
l. T
urb
oco
mp
r., r
pm
x10-3
Simulazione 1D del Motore
pluricilindro
Simulazione 1D del Motore
pluricilindro
Pre
ssio
ne
, bar
Coll. di scarico
Coll. di aspirazione
Dati Sperimentali
Angolo di Manovella, gradi
Pre
ssio
ne
, bar
Cilindro C2 Cilindro C4
(c)
Angolo di Manovella, gradi
Giunzioni a p. cost.
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