Sviluppo di modelli predittivi per la simulazione di spray in motori ad iniezione diretta

Al giorno d’oggi le principali forze trainanti il mercato automobilistico sono la legislazione sempre più stringente sulle emissioni inquinanti e l’aumento di efficienza dei motori. La necessità di migliorare il consumo di carburante per ridurre le emissioni di CO2 sta promuovendo la diffusione del mercato della tecnologia GDI. L'iniezione diretta, accoppiata alla strategia di downsizing, garantisce una maggiore efficienza termica, minori emissioni inquinanti e una ridotta tendenza alla detonazione. La tecnologia GDI richiede una conoscenza approfondita dell'evoluzione dello spray all’interno della camera di combustione. Un miglioramento nella diagnostica sperimentale dello spray e nella sua rappresentazione CFD è pertanto necessario. Le tecniche di misurazione tradizionali non possono essere considerate esaustive nella caratterizzazione dello spray. L'approccio imaging è molto utile per studiare l'evoluzione dello spray e la sua forma. La misurazione dell’injection rate non è in grado di distinguere il contributo del getto singolo per un iniettore a più fori mentre le misurazioni PDA forniscono dati quantitativi molto dettagliati su diametri e velocità delle single gocce, ma presenta alcune limitazioni, come l'impossibilità di lavorare con gli spray densi e richiede molto tempo. Un aspetto chiave, che al giorno d'oggi è quasi trascurato, è la variabilità da foro a foro in termini di injection rate. Le simulazioni CFD possono aiutare a investigare questo fenomeno ad esempio utilizzando un approccio euleriano. Tale metodologia è estremamente accurata ma richiede un'enorme quantità di risorse di calcolo, tempo e deve essere ripetuta ogni volta che alcuni parametri funzionali (ad esempio la pressione di iniezione, la durata dell'iniezione) cambiano, rendendo impossibile l'applicazione nell'approccio industriale. Per questo motivo il presente lavoro si concentra sulla possibilità di includere nel processo di validazione degli spray lagrangiani una nuova tecnica: il momentum flux measurement. In particolare è stato dimostrato che la CFD è in grado di replicare e persino ottimizzare la configurazione sperimentale. Il momentum flux è una delle più importanti quantità fisiche che influenzano l'evoluzione dello spray. Questo tipo di misura può essere effettuata per ogni getto in iniettori multi-foro indipendentemente dalla densità dello spray, rendendo possibile l'analisi dell'uniformità e della la variabilità shot-to-shot dei singoli getti. Nei motori GDI, uno dei problemi più critici che i progettisti devono affrontare è la formazione di liquid film sulle pareti della camera di combustione, e in particolare sul pistone. Ciò si traduce nella formazione di sacche di miscela ricca che aumentano la produzione di soot e all’insorgenza di preaccensioni. La caratterizzazione sperimentale dell'interazione spray-parete è limitata a motori ad accesso ottico. Le simulazioni 3D-CFD possono supportare l'indagine e la comprensione della complessa interazione di tutti i fenomeni fisici coinvolti. Tuttavia, per rappresentare accuratamente l'intera catena di processi, è necessario prestare attenzione alla modellazione al fine di minimizzare l'impatto delle ipotesi fisiche sui risultati ottenuti. Nel presente lavoro viene effettuato un confronto tra l'approccio industriale CFD standard e una metodologia più accurata sia per quanto riguarda la rappresentazione del combustibile che per quanto riguarda la modellazione dell’interazione spray-parete, al fine di verificarne l’effetto sull’evoluzione dello spray, sulla formazione di liquid-film e di soot.