CARATTERIZZAZIONE DEI GETTI DI COMBUSTIBILE IN UN MOTORE DIESEL OTTICAMENTE ACCESSIBILE ALIMENTATO CON INIETTORE SOLENOIDALE

Tesi di Laurea di RelatoreGianmarco Aversano Gaetano Continillo

Correlatrice Katarzyna Bizon

UNIVERSITÀ DEGLI STUDI DEL SANNIO

FACOLTÀ DI INGEGNERIA

Corso di Laurea in Ingegneria Energetica

Lavoro di tesi realizzato in collaborazione con l’Istituto

Motori – CNR di Napoli

Premessa

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L’attività di ricerca svolta durante il lavoro di tesi presso l’Istituto 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.

L’attività in esame ha previsto la conduzione di prove sull’iniettore per l’acquisizione di dati relativi alla penetrazione degli spray di combustibile e alle prestazioni del motore, tra cui appunto immagini relative agli spray, acquisite tramite l’uso di una fotocamera a colori con tecnologia CCD.

Istituto Motori, Napoli.

Sommario

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• Il motore Diesel ad accesso ottico• Sistema d’iniezione del motore• Grafici relativi alla penetrazione del

getto• Analisi del processo di combustione• Caratterizzazione del getto secondo

l’approccio dei contorni attivi

Motore Diesel otticamente accessibile

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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.

Motore Diesel otticamente accessibile

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Un motore ottico consente di esplorare i processi termici e fluidodinamici, come il processo d’iniezione, moto dell’aria, formazione della miscela, combustione, per poi intervenire in maniera quantitativa sui parametri che permettono di migliorare le prestazioni del motore.

Il pistone

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7

L’iniettore 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 quest’ultimo, pari a quella di linea fornita dal rail, e la forza elastica esercitata dalla molla garantiscano la chiusura dell’iniettore.

L’iniettore

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Esempi di immagini di iniezione e combustione acquisite con telecamera CCDsu software Visioscope.

Iniezione Combustione

Frequenza = 25 Hz

Acquisizione delle immagini

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Struttura dello spray per motore Diesel

Grandezze fondalmentali:- Angolo di cono - Lunghezza di break-up

- Penetrazione del getto

- Distribuzione e dimensioni

delle gocce di combustibile

Teoria dei getti

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Vaporizzazione gocce di combustibile

Velocità di vaporizzazione della goccia di combustibile e quella di diffusione in aria in competizione con la velocità d’inizio della 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).

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( )s

g

cond

vap liq

r

r t kQ

mh h h

dTdr

dmm

dt

2

2

0 0 0

4

4goccia fs

s

m t grr

dTr k

drdm r dr dt

h

Teoria dei getti

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Vaporizzazione gocce di combustibile

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 l’avanzare del processo d’iniezione, 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 d’intensa attività chimica attorno la goccia, finché l’apporto 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

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Ciclo di pressione, velocità di rilascio del calore, corrente all’iniettore

È possibile notare un brusco incremento nell’andamento 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 l’invio dei segnali in corrente all’iniettore.

Analisi del processo di combustione

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1500 giri/minuto: IMEP 2 bar

2000 giri/minuto: IMEP 5 bar

Caratterizzazione del getto

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Misurazioni penetrazione del combustibile

-2.5 -2 -1.5 -1 -0.5 0 0.5 1 1.5 20.00

0.20

0.40

0.60

0.80

1.00

1.20

1.40

1.60

1.80

2.00Media 1500 main HEGR

CA [°]

Pen

etra

zio

ne

[cm

]

-2.50 -2.00 -1.50 -1.00 -0.50 0.00 0.50 1.00 1.50 2.00 2.500.00

0.20

0.40

0.60

0.80

1.00

1.20

1.40

1.60

1.80Media 1500 main NEGR

CA [°]

Pen

etra

zio

ne

[cm

]

2.5 3 3.5 4 4.5 5 5.5 6 6.5 7 7.5 8 8.5 9 9.50.00

0.20

0.40

0.60

0.80

1.00

1.20

1.40

1.60

1.80

2.00Media 2000 main HEGR

CA [°]

Pen

etra

zio

ne

[cm

]

1.50 2.50 3.50 4.50 5.50 6.50 7.50 8.50 9.50 10.500.00

0.20

0.40

0.60

0.80

1.00

1.20

1.40

1.60

1.80

2.00Media 2000 main NEGR

CA [°]

Pen

etra

zio

ne

[cm

]

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Caratterizzazione del getto

Importanza di un elevato valore della penetrazione del getto

• Formazione di una miscela omogenea• Miglior contatto combustibile - comburente• Miglior efficienza del processo di combustione: combustione

più completa• Minor produzione di incombusti e di inquinanti• Combustione lontana dagli ugelli dell’iniettore

Ma attenzione all’impatto dei getti sulle pareti del cilindro.

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Caratterizzazione del getto

Le misure appena presentate e relative all’andamento 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 dell’approccio dei contorni attivi, recentemente introdotto dal gruppo di ricerca dell’Università del Sannio, ed in corso di sviluppo.

Contorni attivi

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

Contorni attivi

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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 all’implementazione 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 dall’utente.

Contorni attivi

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Il contorno attivo (snake) è quindi una curva parametrica tempo-variante che, una volta inizializzata, evolve nel dominio spaziale dell’immagine 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) ] 

con S che varia tra 0 e 1.

Allo snake è quindi associata un’energia:

Esnake = Einterna + Eesterna

Snakes

Contorni attivi

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Snakes

L’energia 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

0

( )elastica

dvE s ds

ds

21 2

20

( )curvatura

d vE s ds

ds

Contorni attivi

21

1

0

esterna imageE E ds

2(  ( , )* ,  )imageE I x y G x y

221 12

20 0

snake image

dv d vE s s ds k E ds

ds ds

I: la luminosità dell’immagineGσ : kernel di un filtro gaussiano

di deviazione standard σ.

k: parametro che può essere modificato a

piacimento dall’utente,

in modo variare il peso del contributo dell’energia esterna.

2 4

2 40image

d v d vk

dsE

ds

Equazione di Eulero-Lagrange:

Contorni attivi

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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 l’uso della linea direzionale (c) che porta al risultato (e).

           ,     

0             

 se x y è su

altrimenti

��������������b aab

b aw

Contorni attivi: limiti dell’algoritmo

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La versatilità dell’algoritmo 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 l’algoritmo 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.

Contorni attivi: risultati

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1)

3)

2)

4)

Contorni attivi: risultati

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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 dell’aria su un piano perpendicolare all’asse del cilindro. Il sistema di generazione dello swirl genera appunto questo campo di moto secondario grazie alla geometria particolare delle Intake Ports (condotti d’aspirazione dell’aria).

Contorni attivi: obbiettivi

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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 sull’implementazione di tale algoritmo ha dato un buon contributo agli studi precedentemente effettuati.

In particolare, si è notato come l’introduzione della linea direzionale abbia portato a risultati molto più soddisfacenti dei precedenti.

Tuttavia, l’algoritmo ancora non consente la completa automatizzazione delle misure necessarie.

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UNIVERSITÀ DEGLI STUDI DEL SANNIO

FACOLTÀ DI INGEGNERIA

Corso di Laurea in Ingegneria Energetica

Grazie per l’attenzione

Tesi di Laurea di RelatoreGianmarco Aversano Gaetano Continillo

Correlatrice Katarzyna Bizon