ANALISI DEL CAMPO DI MOTO ALL’INTERNO DEL SISTEMA DI
FILTRAZIONE DI UN MCI IN CONDIZIONI DI FLUSSO NON STAZIONARIO
Angelo Algieri1, Sergio Bova1, Carmine De Bartolo1, Francesco Fortunato2
1
Dipartimento di Meccanica, Università della Calabria – 87030 Arcavacata di Rende (CS)
2
Elasis ScpA – 80038 Pomigliano d’Arco (NA)
SOMMARIO
Il presente lavoro si pone l’obiettivo di determinare il campo di moto presente all’interno
della scatola del filtro aria di un motore automobilistico ad accensione comandata durante la
fase di aspirazione e di valutare gli effetti delle condizioni operative del propulsore sulla
distribuzione del flusso. A tal fine è stata condotta un’analisi sperimentale, in condizioni di
flusso non stazionario, al banco di flussaggio mediante la tecnica di Anemometria Laser
Doppler (LDA).
L’analisi fluidodinamica ha evidenziato la presenza di campi di moto ordinati e l’evidente
azione frenante esercitata dal corpo filtrante. Il confronto fra le diverse condizioni operative
ha mostrato che, a parità di portata, il regime di rotazione non determina evidenti variazioni
della struttura del flusso ma influenza significativamente i moduli dei vettori velocità e le
corrispondenti deviazioni standard, con una progressiva amplificazione dei fenomeni
dissipativi al crescere del numero di giri. Inoltre, l’analisi anemometrica ha evidenziato che la
portata ha una notevole influenza sulla distribuzione del flusso sia in termini di moduli che di
direzione dei vettori velocità. In particolare, i moduli di velocità scalano quasi linearmente
con la portata mentre le deviazioni standard variano più lentamente.
INTRODUZIONE
L’accurata caratterizzazione della fase di aspirazione è ritenuta, attualmente, uno dei
passi fondamentali nella fase di progettazione e di sviluppo dei moderni motori a combustione
interna. Il miglioramento di tale processo, infatti, è fondamentale sia per il contenimento dei
consumi e delle emissioni che per il conseguimento di elevate potenze specifiche [1-2].
Numerosi sono gli studi volti ad approfondire la conoscenza del campo di moto presente
all’interno del cilindro dei moderni motori a combustione interna e valutarne la dipendenza
dalla geometria e dalle condizioni operative del propulsore, mentre più limitate sono le attività
di ricerca orientate verso la caratterizzazione fluidodinamica di altri componenti del sistema-
1
motore, come il sistema di filtrazione dell’aria, ugualmente importanti per le prestazioni e la
vita dei moderni propulsori.
Il presente lavoro si pone l’obiettivo di determinare il campo di moto esistente all’interno
della scatola del filtro aria di un motore automobilistico ad accensione comandata durante la
fase di aspirazione in condizioni di flusso non stazionario.
Funzione primaria dell’unità filtrante è quella di garantire un’elevata qualità dell’aria
aspirata, tale da evitare l’ingresso in camera di combustione di particelle estranee che
potrebbero danneggiare il motore, ridurne notevolmente l’affidabilità e la durata e
pregiudicare il corretto funzionamento di alcuni delicati sensori presenti sulle moderne
vetture. Allo stesso tempo, il sistema di aspirazione deve garantire campi di moto ordinati,
limitando la formazione di zone di ricircolo e di separazione, in modo da assicurare un’elevata
efficienza di filtrazione, e basse perdite di carico, allo scopo di produrre elevati rendimenti
volumetrici e, quindi, alte prestazioni [3]. I ridotti spazi sottocofano rappresentano, tuttavia,
un forte vincolo nella progettazione del sistema di filtrazione [4]. Come conseguenza, spesso
si registrano campi di moto molto complessi che tendono a ridurre significativamente
l’efficienza del mezzo poroso [5].
La Figura 1 mostra il sistema di filtrazione esaminato mentre la Tabella 1 riassume le
caratteristiche del propulsore.
Figura 1 – Sistema di filtrazione aria motore.
2
Motore
Numero di cilindri
Numero di valvole
Corsa / Alesaggio
Diametro Valvola Aspirazione / Alesaggio
Diametro Valvola Farfalla / Alesaggio
Diametro Valvola Scarico / Alesaggio
Accensione comandata
Nc
4
Nv
8
L/B
1.167
Dv/B
0.461
Dt/B
0.625
De/B
0.400
Tabella 1 – Caratteristiche del propulsore
APPARATO SPERIMENTALE
L’attività sperimentale è stata eseguita al banco di flussaggio non stazionario allestito
presso il laboratorio di Motori a Combustione Interna dell’Università della Calabria. Il
sistema è costituito essenzialmente da un ventilatore per la generazione del flusso attraverso
i condotti di aspirazione e nella camera di combustione del motore da studiare e da una
valvola di by-pass per la parzializzazione del flusso stesso. Un motore elettrico asincrono
trifase, comandato da un inverter, è adoperato per trascinare l’albero a camme. Per la misura
globale della portata, necessaria per valutare l’efficienza volumetrica, il banco è integrato
dalla presenza di un flussometro “V-Cone”, di misuratori di pressione e temperatura.
Il sistema oltre alla misura globale della portata, consente rilievi puntuali di velocità per
mezzo della tecnica di Anemometria Laser Doppler (LDA). Il sistema LDA è del tipo “ad un
colore” (ossia capace di misurare una componente di velocità alla volta) con configurazione in
back scattering. Il laser è del tipo a ioni di Argon con una potenza di 2W, con trasmissione del
segnale luminoso mediante fibre ottiche. I segnali ottenuti sono successivamente analizzati
dall’analizzatore di spettro BSA (Burst Spectrum Analyser) nel dominio delle frequenze,
ottenendo quindi l’informazione anemometrica desiderata. L’analizzatore è collegato ad un
personal computer che consente di registrare ed analizzare i dati. Per la movimentazione della
sonda laser è utilizzato un sistema di slitte a traslazione micrometrica in aggiunta al quale
esiste la possibilità di ruotare la sonda intorno al proprio asse longitudinale.
Per la generazione del segnale Doppler, il flusso d’aria è inseminato mediante
un
generatore di nebbia per “flow visualization”. Le particelle prodotte presentano un diametro
medio dell’ordine del micron con una deviazione standard molto stretta tale da poter
considerare la nebbia prodotta come monodispersa. Maggiori dettagli sull’apparato
sperimentale sono disponibili in letteratura [6-7].
3
CONDIZIONI OPERATIVE
Allo scopo di analizzare il campo di moto all’interno del sistema di filtrazione e di
valutare gli effetti dinamici legati al moto delle valvole, le misure LDA in condizioni non
stazionarie sono state eseguite nella parte anteriore della scatola filtro. A tal fine sono stati
definiti 9 punti di misura posti su un piano parallelo alla testa del propulsore ed equidistante
dalla superficie inferiore e superiore del sistema di aspirazione aria motore (Figura 2).
Per ciascun punto sono state registrate tre componenti di velocità1 con campioni di taglia
20000.
Figura 2 - Punti di misura nella parte anteriore del sistema di aspirazione aria motore. Le
distanze fra i punti sono espresse in mm.
I rilievi LDA sono stati eseguiti imponendo lo stesso salto di pressione fra ambiente
esterno e camera di combustione (Δp = 10 kPa) al fine di valutare l’effetto del moto delle
valvole sulla distribuzione del flusso. In particolare, l’analisi è stata condotta considerando tre
diverse velocità di rotazione dell’albero a camme: N = 600 rpm, N = 750 rpm e N = 1000
rpm.
Allo scopo di valutare anche l’effetto della portata e del regime di rotazione del propulsore le
misure anemometriche sono state, quindi, ripetute a due diverse velocità di rotazione
dell’albero a camme (N = 1000 rpm e N = 1600 rpm), imponendo la corrispondente portata
aspirata dal propulsore a pieno carico. La Tabella 2 riassume le condizioni operative adoperate
durante l’attività sperimentale.
1
Per ciascun punto le componenti di velocità misurate sono sullo stesso piano. La terza componente è acquisita
per scopo di verifica.
4
Velocità di rotazione albero a camme
Condizione di
funzionamento
Δp = 10 kPa
N = 600 rpm
N =750 rpm
N = 1000 rpm
x
x
x
N = 1600 rpm
x
Pieno carico
x
Tabella 2 - Condizioni operative adottate durante l’attività sperimentale
RISULTATI
La Figura 3a mostra l’andamento dei vettori velocità registrati nella parte anteriore
della scatola filtro durante una precedente attività di ricerca condotta in condizioni stazionarie
[8]. I rilievi sono stati effettuati con valvola a farfalla completamente aperta (WOT)
imponendo un salto di pressione fra ambiente esterno e camera di combustione pari a 10 kPa.
L’analisi ha evidenziato un campo di moto molto ordinato con un flusso diretto
prevalentemente lungo l’asse x ed un progressivo incremento della componente y di velocità
al ridursi della distanza dal corpo filtrante. La presenza del filtro ha determinato, inoltre,
un’azione frenante sul flusso con una sensibile riduzione dei moduli di velocità nei punti posti
a maggiore distanza dal condotto di adduzione dell’aria.
L’analisi è stata quindi effettuata in condizioni dinamiche allo scopo di valutare
l’effetto del moto delle valvole sulla distribuzione del flusso all’interno del sistema di
aspirazione. I primi rilievi in condizioni non stazionarie sono stati eseguiti imponendo una
velocità di rotazione dell’albero a camme pari a 750 rpm, con la valvola a farfalla
completamente aperta (WOT) ed imponendo lo stesso salto di pressione fra ambiente esterno
e camera di combustione adottato durante la precedente attività di ricerca condotta in
condizioni stazionarie (Δp = 10 kPa). La Figura 3b mostra le velocità risultanti registrate nella
parte anteriore del sistema di aspirazione aria motore in presenza del corpo filtrante.
Come già osservato in condizioni di flusso stazionario, i vettori velocità sono diretti
prevalentemente lungo l’asse x con un progressivo incremento della componente y di velocità
al ridursi della distanza dal mezzo poroso (Figura 4a). La presenza del filtro determina,
inoltre, un’azione frenante con una sensibile riduzione dei moduli di velocità nei punti posti a
maggiore distanza dal condotto aria sporca.
5
a)
b)
Figura 3 - Velocità risultanti misurate nella parte anteriore del sistema di aspirazione in condizioni
stazionarie (a) e dinamiche - N = 750 rpm (b).
b)
a)
Figura 4 - Confronto fra le componenti x e y di velocità. (a) e fra le corrispondenti deviazioni standard
(b). N = 750 rpm, Δp = 10 kPa.
Considerando le deviazioni standard (Figura 4b) si osservano valori piuttosto uniformi
sulle due componenti. Inoltre, si nota che i valori registrati sulla componente x risultano
sempre maggiori rispetto alle corrispondenti deviazioni registrate in direzione y, con una
differenza percentuale media dell’ordine del 43%.
EFFETTO DEL CORPO FILTRANTE
I rilievi LDA sono, quindi, stati ripetuti in assenza del corpo filtrante allo scopo di
valutare l’influenza esercitata dal mezzo poroso sulla distribuzione del flusso all’interno della
scatola filtro. L’analisi anemometrica evidenzia un campo di moto fortemente stratificato
(Figura 5), con la direzione dei vettori velocità coincidente quasi perfettamente con l’asse x.
6
Figura 5 - Velocità risultanti nella parte anteriore del sistema di aspirazione aria motore in assenza
del corpo filtrante. N = 750 rpm, Δp = 10 kPa.
Il confronto con le misure eseguite in presenza del corpo filtrante mette in rilievo che
il mezzo poroso determina una sensibile alterazione del campo di moto all’interno del sistema
di aspirazione aria motore sia in termini di modulo che di direzione (Figura 6) dei vettori
velocità. Si nota, inoltre, che la presenza del filtro determina un sensibile incremento delle
deviazioni standard di velocità (Figure 7), con variazioni medie dell’ordine del 36% sulla
componente x e dell’ordine del 18% sulla componente y.
EFFETTO DEL MOTO DELLE VALVOLE
Allo scopo di valutare l’effetto del moto delle valvole sulla distribuzione del flusso, i
rilievi LDA sono stati ripetuti a due differenti velocità di rotazione dell’albero a camme
(N = 600 rpm e N = 1000 rpm), imponendo lo stesso salto di pressione fra ambiente esterno e
camera di combustione già imposto nelle precedenti campagne sperimentali (10 kPa).
La scelta di imporre lo stesso salto di pressione per i diversi regimi di rotazione dell’albero a
camme è derivata dalla volontà di scindere l’influenza del moto delle valvole dall’influenza
della variazione della portata sulla distribuzione del flusso all’interno del sistema di
aspirazione. La Figura 8 mostra i risultati registrati a monte del mezzo poroso a N = 600 rpm
e N = 1000 rpm. Il confronto con i rilievi eseguiti a 750 rpm (Figura 3b) evidenzia campi di
moto molto simili: la struttura del flusso tende, infatti, a conservarsi sia in termini di moduli
che di direzione dei vettori velocità, con la presenza di un campo di moto molto ordinato e
l’evidente azione frenante esercitata dal corpo filtrante.
7
b)
a)
Figura 6 - Confronto fra i moduli (a) e le direzioni (b) delle velocità risultanti nelle configurazioni
con e senza filtro. N = 750 rpm, Δp = 10 kPa.
a)
b)
Figura 7 - Confronto fra le deviazioni standard sulla componente x (a) e sulla componente y (b) nelle
configurazioni con e senza filtro. N = 750 rpm, Δp = 10 kPa.
b)
a)
Figura 8 - Confronto fra le velocità risultanti nella parte anteriore del sistema di aspirazione aria
motore a N = 600 rpm (a) e N = 1000 rpm (b).
8
Allo scopo di confrontare le distribuzioni di velocità ottenute al variare del regime di
rotazione dell’albero a camme, imponendo lo stesso salto di pressione, nella Figura 9 sono
riportati i moduli dei vettori risultanti. Complessivamente si nota una progressiva riduzione
dei moduli delle velocità al crescere del numero di giri. Tale risultato è dovuto all’amplificarsi
dei fenomeni dissipativi che determinano una piccola riduzione della portata mediamente
aspirata dal propulsore. La Tabella 3 mostra la portata aspirata dal motore in condizioni
stazionarie e non stazionarie imponendo lo stesso salto di pressione.
Analizzando le componenti x dei vettori velocità si rileva ancora un andamento
decrescente all’aumentare del numero di giri mentre valori più uniformi si registrano per la
componente y.
Figura 9 - Effetto della velocità di rotazione dell’albero a camme sui moduli dei vettori
risultanti.
Stazionario2
N = 600 rpm
N = 750 rpm
N = 1000 rpm
m&
[kg/s]
0.047
0.047
0.046
0.045
Δm& / m&
[%]
0
-2.1
-4.2
Tabella 3 – Portata aspirata dal propulsore nelle differenti condizioni operative - Δp = 10 kPa.
Il confronto fra le deviazioni standard registrate sulle componenti x ed y di velocità al
variare del numero di giri evidenzia un progressivo incremento delle fluttuazioni turbolente al
crescere della velocità di rotazione dell’albero a camme. All’aumentare del numero di giri
2
La portata aspirata in condizioni di flusso stazionario è assunta come riferimento.
9
crescono, infatti, le ampiezze delle onde di pressione all’interno del sistema di aspirazione e
con esse le deviazioni standard. Si nota, inoltre, che per tutti i regimi analizzati le deviazioni
standard rilevate sulla componente x sono sempre maggiori rispetto ai corrispondenti valori
misurati sulla componente y.
Il confronto con i risultati conseguiti in condizioni stazionarie evidenzia, quindi, che a
parità di portata il moto delle valvole non determina evidenti variazioni della struttura del
flusso. Si nota, tuttavia, l’effetto di “disturbo” originato dal moto delle valvole con una
progressiva riduzione delle velocità medie ed un progressivo incremento delle deviazioni
standard.
EFFETTO DELLA PORTATA E DEL REGIME DI ROTAZIONE
Allo scopo di approfondire l’analisi del campo di moto all’interno della scatola del
filtro aria in condizioni di flusso periodico e di valutare gli effetti dinamici legati al moto delle
valvole, le misure LDA in condizioni non stazionarie sono state eseguite a due differenti
velocità di rotazione dell’albero a camme: N = 1000 rpm, N = 1600 rpm, imponendo la
corrispondente portata aspirata dal propulsore a pieno carico (rispettivamente m& = 0.022 kg/s
e m& = 0.041 kg/s). La Figura 10 mostra le velocità risultanti registrate nella parte anteriore del
sistema di aspirazione imponendo una velocità di rotazione dell’albero a camme pari a
N = 1000 rpm e la corrispondente portata aspirata dal propulsore a pieno carico.
Il confronto con i risultati registrati alla stessa velocità di rotazione ma con portata
maggiorata (Figura 8b) mostra che la riduzione di portata (-53% rispetto al caso precedente)
ha una notevole influenza sulla distribuzione del flusso sia in termini di moduli (Figura 11)
che di direzione dei vettori velocità.
A parità di numero di giri si nota, infatti, che l’elevata variazione di portata determina una
ridistribuzione dei vettori velocità, con l’inversione del flusso nei punti posti più lontano dal
condotto di adduzione aria sporca, con i moduli di velocità che scalano quasi linearmente con
la portata (≈59%) mentre le deviazioni standard variano più lentamente (≈30%).
La Figura 12 mostra la distribuzione dei vettori velocità registrati imponendo una
velocità di rotazione dell’albero a camme pari a N = 1600 rpm. L’analisi conferma che la
struttura del flusso tende a conservarsi per portate simili. Il campo di moto misurato risulta,
infatti, molto simile a quanto rilevato precedentemente per le portate maggiori
& = 0.045 ÷ 0.047 kg/s).
(m
10
Il confronto con i risultati registrati a 1000 rpm conferma che l’incremento del numero
di giri e, quindi, della portata determina un progressivo incremento dei moduli dei vettori
velocità (Figura 13) ma anche l’amplificazione dei fenomeni dissipativi con conseguente
incremento delle deviazioni standard di velocità.
Figura 10 - Rilievi LDA non stazionari
& = 0.022 kg/s).
(N = 1000 rpm, m
Figura 11 - Confronto fra le velocità risultanti
registrate a N = 1000 rpm.
Figura 12 - Rilievi LDA non stazionari
& = 0.041 kg/s).
(N = 1600 rpm, m
Figura 13 - Confronto fra le velocità risultanti
registrate a N = 1000 rpm e N = 1600 rpm.
CONCLUSIONI
Il campo di moto presente all’interno della scatola del filtro aria di un motore
automobilistico ad accensione comandata è stato analizzato al banco di flussaggio non
stazionario mediante la tecnica di Anemometria Laser Doppler (LDA).
Le misure anemometriche sono state eseguite sia in presenza che in assenza del corpo
filtrante allo scopo di valutare l’influenza del mezzo poroso sulla distribuzione del flusso
all’interno della scatola del filtro aria. Il confronto ha evidenziato che il filtro determina una
sensibile alterazione del campo di moto all’interno del sistema di aspirazione aria motore sia
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in termini di modulo che di direzione dei vettori velocità con un sensibile incremento delle
deviazioni standard di velocità
Allo scopo di valutare l’influenza delle condizioni operative del propulsore sulla
distribuzione del flusso, i rilievi sono stati effettuati imponendo differenti velocità di
rotazione dell’albero a camme e differenti portate L’analisi sperimentale ha mostrato che, a
parità di portata, il moto delle valvole non determina evidenti variazioni della struttura del
flusso medio mentre influenza i moduli dei vettori velocità e le corrispondenti deviazioni
standard. Rilevante è risultato, invece, l’effetto della portata sull’andamento del moto medio.
RINGRAZIAMENTI
Gli autori ringraziano l’Elasis ScpA per la fornitura del propulsore.
BIBLIOGRAFIA
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International Edition.
2. Pignone G. A., 2003, Vercelli U., Motori ad Alta Potenza Specifica, G. Nada Ed.
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Effects on Filter Efficiencies”, SAE paper n. 970554, 1997.
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Science and Technology, 22, 235-252, 2004.
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Performance Measurements”, SAE paper n. 940317, 1994.
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7. Algieri A., Bova S., De Bartolo C., 2006, “Influence of Valve Lift and Throttle Angle on
Intake Flow in a High Performance Four-Stroke Motorcycle Engine”, Journal of
Engineering for Gas Turbines and Power, 128 (4), pp. 934-941.
8. Algieri A. , Bova S. , De Bartolo C. , Fortunato F. , “Analisi del Campo di Moto
all’interno della Scatola del Filtro Aria di un Motore a Combustione Interna”, Atti del
convegno “Mis-Mac IX”, Trieste, 2006.
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