Sistemi di aspirazione e scarico
I motori sono collegati con l'ambiente esterno tramite
sistemi di condotti molto complessi, esempio si
riporta il tipico schema del sistema di aspirazione e
scarico. Lo scopo di sistemi di aspirazione è favorire
con il loro comportamento dinamico il processo di
sostituzione del fluido di lavoro alla fine di ogni ciclo
ed il riempimento del cilindro con la nuova carica
fresca. La complessità dello studio di questi fenomeni
è elevata in quanto si ha a che fare con flussi
altamente instazionari. A titolo di esempio si consideri
l'andamento delle pressioni nel cilindro e nel
condotto di scarico nella fase di espulsione gas
1: nel momento in cui la valvola apre la
pressione nel cilindro è 4/8 volte
Pressione nel cilindo
maggiore che la pressione nel condotto
di scarico--> alto salto di pressione e
quindi blocco sonico--> propagazione
onde d'urto, attraverso le quali il gas si
espande irreversibilmente.
06/11/2014 19.15 - Ritaglio di schermata
01-01 il gas nel condotto di scarico si
trova inizialmente in quiete, ma la
pressione in esso cresce rapidamente,
Pressione condotto
con il progredire della compressione dei
gas da parte del cilindro, a causa del
06/11/2014 19.14 - Ritaglio di schermata
fatto che ci vuole un po’ di tempo per
accelerare tale colonna di gas ed
avviare la sua fuoriuscita verso
l'esterno.
3: la valvola sta procedendo nella sua apertura e ovviamente la pressione nel cilindro scende perché fuoriesce massa.
La pressione nel condotto continua ad aumentare fino a un massimo, in corrispondenza del quale la portata massica
fuoriuscente dal cilindro non è più superiore a quella fuoriuscente in ambiente. Talvolta può capitare che il primo
impulso di pressione (nato quando si è aperta la valvola) torni indietro dando luogo a un secondo massimo.
Questa serie di onde di pressione che si genera e si propaga alla velocità del suono, interagisce con la geometria dei
condotti fino a che, raggiungendo lo scarico, si irradiano in atmosfera dando luogo a rumore. In maniera analoga si
creano delle oscillazioni di depressione nella parte dell' aspirazione--> avrò flussi instazionari pulsanti. Studieremo
come tali effetti dinamici (dell'odg di diversi kpa) possano influire sul corretto riempimento del motore, favorendolo
od ostacolandolo.
Gli effetti dinamici parzialmente descritti hanno l'effetto di generare la seguente distribuzione di pressione all'
ingresso delle valvole, in funzione dell' angolo di manovella.
Rosso: pressione nel cilidro
La valvola di aspirazione apre e chiude quando c'è
un picco positivo di pressione--> favorisco il
riempimento. Nell' incrocio se si ottiene un picco
di depressione allo scarico e uno positivo in
aspirazione si ha un buon lavaggio del cilindro.
Risulta chiaro come se tali picchi non sono
coordinati correttamente con le valvole, il
riempimento può essere sfavorito.
Per fare una trattazione semplificata dei
fenomeni occorre distinguere effetti inerziali da
effetti d'onda, tenendo presente che agiscono
contemporaneamente, anche se originati da
fenomeni differenti.
Oscillazioni di max 0,2 bar
7 effetti dinamici Pagina 1
EFFETTI INERZIALI VS ONDA
Effetti onda legati alla pressione. quando metto in comunicazione due ambienti a pressioni
diverse si crea un onda di pressione che si propaga nel condotto di comunicazione alla velocità del
suono. Quando tale onda incontra degli ostacoli viene riflessa indietro. --> avrò flussi instazionari
pulsanti che si propagano alla velocità del suono.
Effetti inerziali: legati alla massa di portata fluida che si muove.
Per distinguere i due fenomeni considero il sistema in figura. Ho una provetta dove dentro c'è
olio. Se spingo il pistoncino e poi lo rilascio osservo che il fluido oscilla
Anche nel motore ho un fenomeno simile: la portata oscilla avanti e indietro, anche quando ho
finito di spingerla. Oltre a questo movimento oscillatorio ho le perturbazioni di pressione. È come
se mentre il pistonicino sta oscillando gli do un colpetto con un martello: si generano onde di
pressione.
Ho quindi nel motore compresenza di questi due fenomeni: oscillazione instazionaria di portata
più propagazione onde di pressione.
EFFETTI DI INERZIA
Cerchiamo di capire perché l'aria continua a entrare anche
quando il pistone sta salendo.
Considero il sistema schematizzato in figura. Monocilindro
più sistema di aspirazione, di sezione A e lunghezza L.
durante l'aspirazione condotto e cilindro sono collegati
fluidodinamicamente attraverso la valvola che in prima
approssimazione riteniamo aperta. Nel succedersi dei
processi l'aria è attirata dal pistone e poi successivamente
fermata. Se la frequenza di questo moto forzato si accorda
con la frequenza propria del sistema gassoso, risulta
possibile sfruttare in modo ottimale le sue oscillazioni per
facilitare il riempimento del cilindro.
SCOPO voglio calcolare la frequenza propria della massa di
aria. questa massa è concentrata all'interno del condotto di
aspirazione e poi passa gradualmente nel cilindro, essa
costituisce un sistema oscillante smorzato, con una propria
inerzia ed elasticità distribuite.
Per calcolare in modo semplice la freq propria schematizzo il
sistema con i parametri concentrati, immaginando una sola
molla e una sola massa. (oppure potevo con un numero
discreto di piccole molle e piccole masse).
Ipotesi:
• La massa del sistema è costituita dal solo fluido presente nel condotto, a cui è associata un inerzia
• l'elasticità del sistema sia data dal solo fluido contenuto nel cilindro, che si ritiene venga compresso ed
espanso adiabaticamente (le velocità nel cilindro sono molto più basse, non ne considero l'inerzia quindi).
Con queste ipotesi si ottiene l'espressione della massa interessata
Partendo poi dall' equazione caratteristica della adiabatica
Con p e v pressione e volume del fluido contenuto nel cilindro
Differenziandola si legano variazioni di pressioni a variazioni di volumi
Esprimendo poi la variazione di volume del cilindro in funzione della variazione della coordinata x, ossia la posizione
della massa lungo il condotto (se il volume del fluido nel cilindro aumenta, x diminuisce---> segno meno)
È possibile ricavare la costante elastica del sistema, definita come
Per semplicità si è fatto riferimento al
volume medio poiché varia
continuamente
Da cui ricavo la pulsazione propria
7 effetti dinamici Pagina 2
Ricavata la pulsazione propria è immediato ricavare la frequenza propria, che dovremo intonare con il regime del motore
Circa 350 m/s
l'aria è soggetta a una forzante, che sarebbe il moto del pistone nel cilindro, di frequenza fm.
Ci si aspetta allora una relazione fra frequenza del moto dell' aria f0 e frequenza con cui si succedono le
aspirazioni fm. Risolvendo le equazioni differenziali che descrivono il risuonatore di helmots,
considerando anche attriti e viscosità si giunge alla seguente rappresentazione grafica del risultato
07/11/2014 11.05 - Ritaglio di schermata
Si hanno picchi di spostamento della massa di
fluido nel condotto (ossia picchi di
riempimento) quando il rapporto f0/fm
risulta essere un numero pari. Si può
dimostrare inoltre che la condizione
nettamente più favorita, ai fini del
riempimento, corrisponde ad una frequenza
del risuonatore di valore circa doppio di
quella del regime del motore.
NB la portata oscilla ma
non diventa mai negativa,
gli effetti inerziali si
sommano al moto medio
È possibile spiegare questo risultato in
maniera intuitiva, facendo riferimento al
disegno sotto riportato, dove si realizza
questa condizione: la massa d'aria compie un
oscillazione completa, mentre il motore ha
fatto mezzo giro.
Adesso che ho capito che la frequenza deve
essere il doppio, mi chiedo quali giri del motore
realizzano questa condizione ottimale.
Lo si ricava dalle relazioni precedenti:
Oss: questa relazione è statata ricavata per
semplicità per un monocilindro ma con modelli
simili si possono giungere a considerazioni
valide anche per motori con più di un cilindro:
le considerazioni generali a cui giungiamo sono
valide lo stesso.
Per aumentare il regime ottimo si può:
a metà della sua corsa la
massa di aria ha subito la
massima dilatazione a
causa della sua inerzia
(massimo spostamento
della massa e molla
al massimo)
07/11/2014 13.29 - Ritaglio didilatata
schermata
Il pistone inizia a
scendere, massa
attaccata e molla
compressa
• Aumentare il numero di cilindri nel quale viene frazionata la cilindrata totale, diminuendo
così Vm
• accorciare i condotti a pari sezione
• Aumentare sezione dei condotti a pari lunghezza
Avere alta cilindrata e condotti lunghi e stretti sposta a bassi giri la coppia massima.
7 effetti dinamici Pagina 3
alla fine arriva un
ultimo impulso di
massa all' ultimo
momento.
EFFETTI D'ONDA
Nell' analizzare questi fenomeni conviene distinguere due casistiche:
• Effetti d'onda a valvola aperta
• Effetti d'onda a valvola chiusa
Effetti d'onda a valvola aperta
Riferiamoci al sistema d aspirazione poi vedremo che il ragionamento è estendibile al sistema di scarico.
All'inizio della corsa di aspirazione il pistone scende generando un impulso di depressione ; questo si propaga nel
condotto alla velocità del suono (in aspirazione 350 m/s, allo scarico 700 m/s mentre la velocità media del flusso è 60
m/s) , fino alla prima discontinuità geometrica presentante un brusco allargamento di sezione, che può essere:
• l'ambiente
• Un volume in serie come la scatola
del filtro
• Un collettore che collega il condotto
con altri condotti
Se il volume a valle risulta grande rispetto a
quello del condotto, la differenza di
pressione fra condotto e ambiente esterno
deve annullarsi in corrispondenza della
sezione terminale del condotto stesso (in
modo che la p esterna sia costante).
***
Come conseguenza un impulso di pressione
segno opposto (compressione in questo
caso) si genera all' estremità aperta,
risalendo il condotto in verso opposto, in
modo tale che l'effetto delle due onde sia
quello di annullare la differenza di pressioni
nella sezione terminale ***.
Questo fatto ha validità generale: ogni volta che
un impulso di pressione incontra un estremità
che possa considerarsi aperta, viene riflesso con
segno cambiato.
Il condotto ha lunghezza finita, che influenza il
tempo necessario per cui l'impulso riflesso torna
indietro--> se la lunghezza è tale per cui
l'impulso riflesso di compressione arriva alla
valvola (che è aperta ) circa a metà della corsa di
aspirazione (90°), la pressione risultante negli
angoli di manovella successivi favorisce il
riempimento del cilindro (risultato confermato
dall' esperienza)
Il picco di pressione arriva quando la
valvola si sta chiudendo
La depressione globale la devo pensare come una
successione di impulsi di depressione provocati dalla
discesa del pistone
In pratica quello che succede è che gli impulsi riflessi
di compressione si sommano al valore di pressione
che si avrebbe avuto senza riflessione, provocando
un aumento della pressione risultante in tutti quegli
angoli di manovella in cui in pistone non è in grado di
aspirare carica fresca (perché superato il punto
morto e la valvola si sta chiudendo in ritardo)-->
riempimento aumenta.
7 effetti dinamici Pagina 4
Voglio ora calcolare il regime ottimale che massimizza questo effetto, fissata la lunghezza del condotto.
Per prima cosa devo convertire il tempo che ci mette questa onda di pressione a percorrere la distanza L alla
velocità del suono a, in angoli di manovella:
Impongo poi la condizione ottimale di sfruttamento della valvola (ragionamento intuitivo, anche
confermato dall' esperienza): nel tempo che l'onda va avanti e indietro la manovella deve avere fatto 90°
Si ottiene quindi il numero di giri che corrisponde alla massimizzazione della sovrapressione.
Più il condotto è lungo più si abbassa il regime di ottimizzazione. Se metto anche un metro il regime viene alto: Con un
metro di lunghezza dovrei intonarlo a 2500 giri. Scegliendo quindi la lunghezza del condotto posso decidere a che giri
avere un picco di riempimento.
fissata la lunghezza, per questa configurazione, ho un
regime in corrispondenza del quale intono il motore per
sfruttare l'effetto di inerzia, a una regime più alto invece ho
un picco dovuto alle onde di pressione. il buco può essere
aggiustato con altre variabili, come l'apporto di
combustibile. Alzando la lunghezza del condotto sposto
entrambi i picchi su giri più bassi.
Nasce l'esigenza di adottare geometrie variabili in
aspirazione: tengo alto il riempimento al variare dei giri del
motore.
Effetti d'onda a valvola aperta allo scarico
Ceff riempimento
Come coppia
Effetti d'onda nel sistema di scarico. Un effetto d'onda analogo a quello descritto in aspirazione si verifica allo
scarico: all' apertura della valvola si crea un onda di compressione che si propaga nel condotto alla velocità del
suono; raggiunta l'estremità aperta viene riflessa come onda di depressione. Se tale onda ritorna alla valvola prima
che questa si chiuda ed è già aperta quella di aspirazione nel periodo di incrocio, si ha un evidente benefico aiuto al
lavaggio dello spazio morto
7 effetti dinamici Pagina 5
Effetti d'onda a valvola chiusa (per solo lato aspirazione) (?????non succede stessa cosa per lato scarico???????))
La valvola di aspirazione rimane chiusa per un ampio intervallo angolare, pari alla corsa di compressione e di espansione.
La massa di gas contenuta nel condotto di aspirazione costituisce un sistema oscillante smorzato. Questo sistema è
equivalente ad una trave incastrata in un estremo , la cui frequenza caratteristica più bassa corrisponde ad una lunghezza
d'onda
. Analogamente in assenza di forze di eccitazioni esterne, il fluido contenuto in u tubo chiuso ad un
estremo ed aperto dall' altro vibrerà con periodo proprio
Questo è il periodo dell' oscillazione di
pressione nell' intervallo angolare in cui la
valvola è chiusa
È intuitivo quindi dire che il riempimento è favorito se la valvola si
apre in corrispondenza di un picco positivo di pressione, mentre
sarà ostacolato se il picco è negativo.
Esprimo il periodo dell'oscillazione in gradi di manovella
Calcolo il numero di volte che tale periodo è contenuto nell' intervallo angolare
nell'idealità senza anticipo di apertura e ritardo di chiusura)
di chiusura della valvola (540°
• Positivo se k pari: la valvola si chiude con un un picco
positivo, si riaprirà con un altro picco positivo
• Negativo se k è dispari, in quanto l'oscillazione è sfasata di
mezzo periodo
l'effetto sul riempimento è:
RICAPITOLANDO : situazione favorevole, giri ottimali
La valvola di scarico si apre un pelo prima del punto morto inferiore, si crea un onda di pressione positiva che inizia a
procedere verso lo scarico. La compressione dei gas di scarico procede e si arriva al periodo di incrocio: anticipo
l'apertura della valvola di aspirazione e si crea quindi un onda di depressione che si propaga nei condotti di
aspirazione. Anticipando l'apertura sfrutto gli effetti d'onda a valvola chiusa in aspirazione; k è infatti positivo e arriva
al momento giusto un picco di pressione che favorisce il riempimento non appena si apre la valvola.
Contemporaneamente l'onda positiva di pressione che si era creata all'inizio, ha percorso il sistema di scarico , è stata
riflessa ed è tornata indietro, arrivando come onda di depressione--> favorisco il lavaggio. Quest'ultimo effetto di
depressione allo scarico è contemporaneo alll' effetto inerziale che hanno i gas di scarico: risucchiano ancora più carica
fresca. La valvola di scarico si chiude, il pistone scende richiamando carica fresca fino oltre il punto morto inferiore: si
sfruttano così contemporaneamente l' inerzia della carica fresca, più il picco positivo di pressione, dovuto alla
riflessione dell' onda di depressione, che si era creata non appena la valvola di aspirazione era stata aperta. La valvola
di aspirazione si chiude e si creano gli effetti d'onda a valvola chiusa dove le onde oscillano 6 volte (k=6 ad esempio)
per poi arrivare al momento giusto alla nuova apertura della valvola.
Esempio di situa sfavorevole
Situazione ottimale
k=9
k=6
k=6
Buono qui il picco
positivo dovuto all'
inerzia
Male la depressione
in aspirazione nel
punto di incrocio
7 effetti dinamici Pagina 6
SISTEMI DI SCARICO E ASPIRAZIONE A CONFIGURAZIONE VARIABILE
Gli effetti dinamici che fino adesso ho descritto possono ottimizzare il riempimento di un motore a 4 tempi solo per
un determinato regime di funzionamento. Per avere curve di coppia soddisfacenti su un ampio campo di numeri di
giri, si possono realizzare sistemi di aspirazione a geometria variabile, volti a diminuire la lunghezza dei condotti se
i giri stanno aumentando (vedi formule).
Sistemi di aspirazione
Fino adesso abbiamo considerato monocilindro, ma è chiaro che tutti i cilindri influenzano il loro reciproco
riempimento in quanto in genere i condotti di aspirazione sono collegati fra loro, poiché conviene che alcuni
dispositivi siano gli unici che operino su tutta la portata di fluido smaltita dal motore. Nel progettare il sistema di
aspirazione e scarico bisogna evitare l'interferenza tra i vari cilindri collegati, nel senso che l'alimentazione non
deve essere ostacolata, anzi in alcune situazioni avere più cilindri può favorire alcuni fenomeni di risonanza.---> le
configurazioni che ne derivano sono le più svariate e fortemente influenzate da numero di giri ed applicazione del
motore considerato. Si riportano qui le soluzioni più comunemente adottate per un motore pluricilindro:
1) Economica, semplice ma i condotti hanno lunghezza
diversa: effetti d'onda diversi e coeff di riempimento
diverso
2) In un 4 cilindri a 4 tempi le fasi di aspirazione si
sovrappongono parzialmente, la parte finale del
processo di alimentazione di un cilindro può disturbare
l'inizio di quella del cilindro vicino.
3) I tratti più lunghi riducono l'interferenza che causava
un problema in 2, mentre il tratto corto ottimizza gli
effetti d'onda per un regime prescelto
4) Per motori ad iniezione a punti multipli uso l'airbox :
più grande è più riduco gli effetti di
interferenza fra un cilindro e l'altro,
è come se avessi l'ambiente--> i 4 cilindri si
comportano allo stesso modo. nel volume posso
piazzare il filtro.
5) Se dispongo un volume aggiuntivo pari a circa la
cilindrata totale, riesco ad ottenere vantaggi a bassi
giri, in quanto si creano fenomeni di risonanza; ad alti
giri però si fanno sentire le perdite fluidodinamiche e
le cose peggiorano. Uno schema così può anche essere
usato per alimentare 4 valvole per cilindro. In verità la
fluidodinamica computazionale mi dice che un cilindro
può essere sfavorito o meno rispetto ad altri, a causa
di fenomeni di turbolenza.
Geometria variabile
L'utilizzo di geometri fisse come visto consente di ottimizzare gli effetti dinamici per un limitato numero di giri,
usare invece geometri variabili consente di estendere gli effetti dinamici favorevoli al riempimento su buona parte
del campo di funzionamento del motore.
I sistemi di aspirazione che adottano questa tecnologia in genere assumono un numero limitato di configurazioni
nel campo di impiego del motore, non variano quindi la loro lunghezza con continuità.
Considero ad esempio l'esempio in figura. Ho due
condotti paralleli, collegati a un airbox, che
disaccoppia e cilindri ed evita interferenze.
A bassi regimi il cilindri sono alimentati dai soli
condotti lunghi, sufficienti in quanto la portata
massica è bassa ed ottimizzati per sfruttare wave
effect a bassi giri. Ad alti regimi vengono aperte le
valvole a farfalla e passa aria anche dai condotti
corti, solo quello lungo non basterebbe infatti
poiché la velocità dell' aria aumenta e
aumenterebbero le perdite di carico: la lunghezza
del condotto corto è ottima per i wave effect ad alti
giri.
7 effetti dinamici Pagina 7
In tempi recenti lo stesso sistema precedentemente
descritto è stato compattato curvandolo su se stesso.
All' interno c'è anche un sistema che ruotando varia la
lunghezza dei condotti.
Sotto si riporta il risultato in termini di prestazioni
nell'adozione di questi sistemi:
Anche la geometria dei collettori di scarico è scelta
per ottimizzare gli effetti dinamici ed evitare
interferenze fra i vari cilindri. Prima di descrivere i
vari sistemi spiego cosa si intende per interferenze:
4
3
2
1
Cosa si intende per interferenza:
720/4=180 angoli di manovella di sfasamento fra una fase di scarico e l'altra---> nel caso
ideale non si sovrappongono ma nel caso reale si, a causa dell' anticipo di apertura della
valvola di scarico e del ritardo di chiusura ho 260° di ampiezza effettiva. Se apro la valvola del
cilindro 1 si crea un impulso di pressione che risale nei condotti verso l'ambiente ma anche
verso gli altri cilindri, se i condotti sono corti--> potrebbe ad esempio raggiungere la luce di
scarico del cilindro 2 quando questo si trova 180 ° più avanti, ossia quando sta terminando
l'espulsione dei gas combusti e richiamando nuova carica fresca (nel periodo di incrocio per
intenderci). Il picco di pressione impedirebbe quindi un buon lavaggio dello spazio morto. La
prima strategia per evitare questo problema potrebbe essere accendere i cilindri nell' ordine
(1-3-4-2), soluzione che minimizza le interferenze, allungando il percorso che deve fare
l'impulso di pressione per interferire con un'altra fase.
La seconda strategia è allungare i condotti. Ne nascono le seguenti soluzioni:
1) Più semplice ed economica, alta interferenza fra
cilindri
2) Soluzione alternativa alla 12, non cè pericolo di
interferenza in quanto l'ordine di accensione è
(1-3-4-2), pericolo ulteriormente scongiurato da
condotti più lunghi
3) E 4) soluzioni adottate se il motore è disposto
longitudinalmente, per risparmiare spazio, soluzione
3 con minori interferenze
5) E 6) permettono di avere condotti di uguale
lunghezza, in modo da avere eguali effetti dinamici
anche sul lato scarico.
La soluzione 5) si chiama due in 1, la soluzione 6, 4 in
1. nel 6) il flusso di un cilindro vede un unico brusco
allargamento di sezione --> ho un'unica onda di
depressione riflessa molto intensa, ma di breve
durata--> soluzione adottata su motori sportivi, in
quanto si ha alta coppia su un numero limitato di
giri. Nel sistema 5 ho due allargamenti-> ho due
impulsi di depressione di minore intensità, che
rendono il motore più elastico, in quanto l'effetto su
riempimento è di minore intensità, ma più esteso
nel tempo.
7 effetti dinamici Pagina 8
MODELLI NUMERICI
Numerical models widely used for engine design:
Provides reasonable results in a limited amount of time
Possibility to test a wide range of different configurations identifying the most promising ones.
Number of experimental tests significantly reduced (reduced costs)--> uso esperimenti per validare modelli
computazionali, con i modelli computazionali posso provare centinaia di geometrie.
Gas exchange in IC engines is studied by means of gas-dynamic models solving mass, momentum and energy equations
for a compressible, unsteady flow:
1D models: engine is modeled as a series of 1D ducts and 0D elements (junctions, valves, cylinders, pressure losses). The
Finite difference method is used.
CFD models: the domain to be studied is discretized by using a 2D or 3D computational mesh, equations are solved with
the Finite-Volume method
I modelli funzionano bene:
esempio di confronto fra dati sperimentali e calcolati:
Esempio di modello gasdinamico: gasdyn simula tutto il
motore
limiti di codici 1d. è un codice veloce e robusto dove
sipuò rappresentare tutto il motre, ma alla fine è un
approccio 1d. non è adeguato in quei punto dove il flusso
è 3d. se voglio studiare come funzione il cilindro o altri
dettagli devo passare a 3d--> passo amodelli ibridi 1d-3d,
dove es dentro nel cilindoto uso modelli 3d--> ottengo
codici complessi e accurati. il modello 3d mi consente di
avere progettazione accurata dei particolari.
passando a un approccio 3d in alcuni punti
la situazione migliora. non è tuttora
possibile simulare l'intero motore in 3d,
non tanto perchè non si riesce, ma perché i
tempi di calcolo sono proibitivi, con un
approccio ibrido ad analizzare diverse
configurazioni al variare di giri ci metto una
settimana, se tuto il motore fosse 3d ci
mettere un anno.
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