F. BozzaM.C. Cameretti R. Tuccillo 52° Congresso Nazionale A.T.I. Villa Erba, Cernobbio, Settembre 1997 Dipartimento di Ingegneria Meccanica per l’Energetica

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:

Bozza, Cameretti e Tuccillo, DIME, Univ. di Napoli Una procedura di integrazione tra modelli…,p.2 / 21


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



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


ctt


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



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



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



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:



Risultati Test-case

Risultati Test-case

(a)

(b)

Giunzione: Modello a pressione costante

Schema TVDpresente lavoro


Schema ENO-SRda Giannattasio [12]



Risultati teorici

Dati sperimentalida Ferrari e Onorati, Politecnico di Milano

(d)

(c)

Giunzione: Modello di Bingham&Blair


Giunzione: Correlaz. Sper. di Dadone [14]


Risultati Test-case

Risultati Test-case



Risultati teorici


Risultati Test-case

Risultati Test-case

(a)

(d)

Giunzione: Modello di Bingham&Blair



Schema ENO-SRda Giannattasio [12]



Risultati teorici


(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.


Simulazione 1D del Motore

pluricilindro


pluricilindroP

ress

ione

, ba

rV

el.

Tur

boco

mpr

., r

pm

x10-3




pluricilindro


pluricilindroNumerico

Sperimentale 3000 giri/min Coppia Max.

Coll. di scarico (c)


Tronchetto di aspirazione(b)

Cilindro C2


Pre

ssio

ne

, bar

Pre

ssio

ne

, bar

Coll. di aspirazione(a)



ctt


Compressore

Pre

ssio

ne

, bar



Cilindro C2

SperimentaleNumerico


pluricilindro


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:



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



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



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



Applicazione al funzionamento con

EGR


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:




EGR


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


EGR=0EGR-1EGR-2EGR-3

aspirazione

scarico




EGR


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


-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, gradiAngolo di Manovella, gradi



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



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:



(b)Giunzioni a p. cost.Perdita nelle giunz.


Coll. di scarico


(a)

Giunzioni a p. cost.Perdita nelle giunz.


Pre

ssio

ne

, bar

Ve

l. T

urb

oco

mp

r., r

pm

x10-3


pluricilindro


pluricilindro

Pre

ssio

ne

, bar

Coll. di scarico


Dati Sperimentali


Pre

ssio

ne

, bar

Cilindro C2 Cilindro C4

(c)


Giunzioni a p. cost.



Documents

F. BozzaM.C. Cameretti R. Tuccillo 52° Congresso Nazionale A.T.I. Villa Erba, Cernobbio, Settembre 1997 Dipartimento di Ingegneria Meccanica per l’Energetica