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Corso di Sperimentazioni e Prove sulle Macchine

Analisi dei Sistemi di Iniezione

per Motori a Combustione Interna

Prof. Lucio Postrioti

Università di Perugia

Corso di Sperimentazione e Prove sulle Macchine 2

Tipologie di Sistemi di Iniezione

Introduzione

Consideriamo tre tipologie principali di sistemi di iniezione:

- Sistemi Common Rail per motori a ciclo Diesel (Common Rail,CR);

- Sistemi ad iniezione indiretta per motori a ciclo Otto (Port Fuel Injection, PFI);

- Sistemi ad iniezione diretta per motori a ciclo Otto (Gasoline Direct Injection, GDI).

Altre tipologie:

- Sistemi in linea o rotativi convenzionali per motori a ciclo Diesel;

- Sistemi GDI basati sul “RAM effect”;

- Sistemi APCRS (Amplifier Piston Common Rail Systems);

Funzioni dei sistemi di iniezione:

- fornire il combustibile in quantità ed in modalità adatte per lo svolgimento della

missione veicolo;

- contribuire al controllo della combustione;

- contribuire al controllo della formazione e/o abbattimento degli inquinanti.


Il sistema Bosch

Diesel Common Rail


Il sistema Bosch

Diesel Common Rail Molla

Elettromagnete

Ancora

Ghiera

Asta di pressione

Corpo

Molla (F e)

Dado di ritegno

Distanziale calibrato

Grano di riferimento

Polverizzatore: Spina

Ugello

Connettore

Raccordo

Foro “Z” Vc Foro “A”

Valvola

Otturatore a sfera


Il sistema Bosch Diesel Common Rail


I sistemi PFI e GDI

GDI

PFI


Caratteristiche dei sistemi di iniezione

In generale, le caratteristiche dei diversi sistemi di iniezione sono definite in base al

sistema di combustione a cui questi sono abbinati. La valutazione può essere fatta in

termini di:

• flessibilità della STRATEGIA DI INIEZIONE: multi-iniezione

injection rate

modulazione pressione

• caratteristiche degli SPRAY: penetrazione

diffusioneconformazione

polverizzazione


Caratteristiche degli spray

µρ nuD

=Re

Gli spray di liquido in ambiente gassoso presentano caratteristiche sensibilmente

variabili con alcuni parametri:

- pressione di alimentazione del liquido;

- geometria dell’ugello di uscita;

- densità, viscosità, tensione superficiale e temperatura della fase liquida;

- densità, viscosità e temperatura della fase gassosa.

σρ du

We2

= forze d’inerzia/tensione superficiale

forze d’inerzia/forze viscose


Drip Reyleigh Transition Turbulent Atomisation

Formazione degli Spray: Break-Up

Primario e Regimi di Flusso

Break-up primario per:

-Oscillazioni superficiali;

-Interazione aerodinamica;

-Cavitazione interna.


Formazione degli Spray: Break-Up Secondario

Le gocce sono instabili se: We>Wec (12)

Fino a We16: regime vibrazionale;

Fino a We 25: regime DDB (droplet deformation break-up regime)

Fino a We 100: regime “caotico”;

Fino a We 1000: regime “stripping”;

Oltre We 1000: regime “catastrofico”.

Altri fenomeni:

-coalescenza;

-collisioni semplici;

-collisioni con rottura parziale.


Fluido: Diesel, densità ~ 830 kg/m3, int dist 180-350 °C

Range di pressione d’iniezione: da ~ 200 a 2000 bar;

Diametro ugello: 100 ÷ 300 µm;Caratteristiche mezzo gassoso: aria a 30 ÷ 80 bar, 300 ÷ 600°C;

Risulta:

Velocità del getto: 100 ÷ 300 m/s

Sizing: da 2 ÷ 3 a oltre 100 µm (Sauter Mean Diameter tip. attorno a 20-30 µm)Tempo caratteristico del fenomeno: da 0.1 a 1.5 ms

Tipologie di spray: Diesel -1


Tipologie di spray: Diesel -2

F538 Ks=0 nozzle spray at 600 µs, 900 µs an 1200 µs after S.o.I..

Pvessel 5 MPa, Pinj 100 MPa, Biodiesel fuel.


Fluido: benzina, densità ~ 750 kg/m3, int dist 25-190 °C


Diametro ugello: 200 ÷ 500 µm;Caratteristiche mezzo gassoso: aria a 0.7 ÷ 1 bar, 20°C;

Risulta risulta:


Sizing: da 10 oltre 100 µm (Sauter Mean Diameter tipico attorno a 70- 80 µm)Tempo caratteristico del fenomeno: da 1 a 10 ms

Tipologie di spray: Benzina PFI -1


Tipologie di spray: Benzina PFI -2


Tipologie di spray: Benzina GFI -1

Fluido: benzina, densità ~ 750 kg/m3, int dist 25-190 °C


Diametro ugello: 150 ÷ 300 µm;Caratteristiche mezzo gassoso: aria a 0.7 ÷ 20 bar, da 20 a 300 °C;

Risulta risulta:


Sizing: da 10 oltre 60-80 µm (Sauter Mean Diameter tipico attorno a 20 µm)Tempo caratteristico del fenomeno: da 0.5 a 4-5 ms


Tipologie di spray: Benzina GFI -2


Tipologie di Spray – GDI 3


E’ possibile investigare l’evoluzione degli spray essenzialmente secondo due

approcci:

ANALISI GLOBALE - si basa sulla visualizzazione del getto e da questa

vengono dedotti alcuni parametri fondamentali (forma del getto, curva di

penetrazione, angolo(i) di diffusione, velocità di avanzamento). La

visualizzazione può essere eseguita con diversi sistemi:

-light sheet (caso particolare: Particle Image Velocimetry),

-visualizzazione globali.

ANALISI PUNTUALE - con sistemi ottici, si studiano le caratteristiche locali

(nello spazio) del getto in termini di sizing e velocità delle gocce.

-Laser Doppler Velocimetry (velocità gocce)

-Phase Doppler Velocimetry (velocità e sizing gocce)

-Malvern (sizing medio gocce)

Metodologie di indagine sugli Spray


Si tratta di acquisire immagini di un fenomeno breve (~ 1ms), costituito da oggetti

in movimento (~ 100 m/s) di piccole dimensioni (1-150 µm).

Queste caratteristiche richiedono:

-Sincronizzazione evento-ripresa (risoluzione temporale dell’ordine del 1 µs);

-Ridotto tempo di esposizione effettivo (1 µs);-Elevata risoluzione (1-2 megapixel).

Per la modalità di acquisizione delle sequenze, esistono due possibili approcci:

a) sequenze nel singolo evento di iniezione � n k-frame/s;

b) sequenze in più cicli di iniezione (ensamble average) � frame/s

Visualizzazione di Spray


Visualizzazione di Spray

CTR

INIETTORE

EVENTO INJ

LASER

CCD

tempo

∆t1 ∆t2

E.T.

durata iniezione.

timing imm.

ritardo laser

esposiz. CCD

Sequenza degli eventi per acquisizione in ensamble average


Visualizzazione di Spray – Layout ottico

visualizzazione globale

visualizzazione per piani


Visualizzazione di Spray – Light Sheet


Visualizzazione di Spray - Layout Linea

Nd-Yag Laser

λλλλ = 532 nm

pulse: 200 mJ ; 7 ns

CCD camera

PCO Sensicam(12 bit, 1280x1024)

+PCI grabber

Test Vessel

MAX Pressure 100 bar

MAX Temperature 250 °C

2 optical accesses D = 100 mm


Analisi delle immagini -

X tipX tip

1 / 3 X tip

Le analisi sono esaminate in set. Ogni set è costituito da immagini

acquisite con lo stesso timing (ca. 20). La loro analisi prevede, in genere:

- Binarizzazione (da 12 a 1 bit);

- Scansione alla ricerca del tip;

- Scansione per la misura degli angoli caratteristici;

- Analisi di regolarità del countour (patternation);

- Analisi di probabilità;


Analisi delle immagini -

n.3

Analisi Contour


Presentazione dei risultati

Le misure effettuate vengono presentate in termini sia medi, sia di dispersione.

0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000 1100 1200

0

5

10

15

20

25

30

35

40

45

50

55

60

65

70

sp

ray tip

pen

etr

ation

, m

m

time from S.O.I., ms

1 MPa 3 MPa 5 MPa Pvessel

Pinj

50MPa

Pinj

100MPa

Pinj

135MPa

F538 Ks=0 BIODIESEL

100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000 1100 1200

0

5

10

15

20

25

30

sp

ray f

ar

an

gle

, °

time from S.O.I., ms

1 MPa 3 MPa 5 MPa Pvessel

Pinj

50MPa

Pinj

100MPa

Pinj

135MPa

F538 Ks=0 BIODIESEL


Principi di Anemometria Laser Doppler

Per Anemometria Laser Doppler si intendono quelle tecniche di misura in campo

fluidodinamico che mirano alla valutazione di velocità (Laser Doppler Anemometry,

LDA) e/o di sizing di particelle (Phase Doppler Anemometry, PDA).

Si tratta di tecniche di misura puntuali e non invasive utilizzate per:

- caratterizzazione di spray;

- studi fluidodinamici per flussi interni, ad es. moti in condotti o in componenti di

turbomacchine, misure di turbolenza, misure di cavitazione;

- studi fluidodinamici per flussi esterni, ad es. analisi in galleria del vento, eliche,

analisi di cavitazione, analisi di processi di combustione, getti gassosi.

In ogni caso, occorre la presenza di discontinuità di mezzo nell’efflusso (particelle,

solide, gocce, bolle di gas) � inseminazione del flusso?


Principi di Anemometria Laser Doppler

L’ Anemometria Laser Doppler sfrutta l’interazione fra:

Luce LASER + discontinuità nel mezzo (particelle)

secondo l’insieme di fenomeni ottici noto come SCATTERING (insieme di

riflessione, rifrazione del 1°, del 2° .. n-esimo ordine della luce incidente)

In particolare, si analizzano le caratteristiche della radiazione di scattering (in

termini di frequenza e di fase) generata per interazione fra la luce laser incidente e

le particelle presenti nel flusso analizzato.

Queste tecniche sono piuttosto sofisticate, ma sono basate su una teoria molto

“robusta” che ha consentito di realizzare sistemi commerciali (~ metà anni ‘90) che

consentono di effettuare misure affidabili.

TECNICHE DIRETTE � NO VALIDAZIONE


Le principali caratteristiche della luce LASER (Light Amplification by Stimulated

Emission of Radiation) sono:

- Monocromaticità: una determinata frequenza, dall’ultravioletto all’infrarosso

- Coerenza: la fase di tutti i fotoni emessi è identica, e si mantiene per grandi distanze

� consente la costruzione di frange di interferenza

- Brillanza: elevata energia per steradiante

- Durata impulsi: da emissione continua a femtosecondi

- Direzionalità: l’emissione avviene in una sola direzione, secondo una geometria

approx cilindrica, descrivibile quantitativamente

Principi di LDA – Il LASER

0;4

1)(

22

0 →∞→

+= zper

z

dzzRcurvatura

λ

π

0

4

ddivergenza

π

λα =

∞→→

+= zperz

d

zdzddiametro α

π

λ;

41)(

2

2

0

0


LDA – Doppler ShiftSulla base delle caratteristiche dei fasci laser, questi possono essere considerati

dei fronti d’onda piani.

La velocimetria Laser Doppler si basa sull’effetto Doppler�la luce, interagendo con

una particella in moto genera una radiazione di scattering che ha una frequenza

diversa da quella incedente:

1;

1

1

<<

+

−

=c

Ucon

c

Ue

c

Ue

ff

s

i

is

r

rr

rr

ShiftDopplerffff is ∆∆+= ;

( ) ( )isiiisis eec

Uffee

c

Uff

rrr

rrr

−+=

−+≅ 1con:

U vettore velocità particella;

ei versore radiazione incidente

es versore radiazione di scattering

c velocità della luce (3x108 m/s)


Dalla:

La misura di U richiede il rilievo fi e di fs.

LDA – Layout con fascio di riferimeto

( ) ( )isiiisis ee

c

Uffee

c

Uff

rrr

rrr

−+=

−+≅ 1

LASER

Ubeam splitter

fotomoltiplicatore

fascio di riferimento, fi

fascio

scattering, fs

E’ applicabile? Dobbiamo misurare fi e fsse λ=1000 nm (infrarosso) � fi = c/λ =3x108 /10-6 [m/(sxm)] = 3x1014 Hz;

Il Doppler Shift è proporzionale a fi secondo U/c � se U=10 m/s, ∆f ~ fi x 3x10-7 !!!


LDA – Layout con 2 fasci incidenti

( ) x

I

iiI

iiID UseneeUc

fee

c

Uff

22

1cos2,1,2,1,

ϑ

λϕ =−=

−=rr

r

( ) ( )IiiisiisiD fffseee

c

Ufee

c

Uff ==

−+−

−+= 2,1,1,1,2,2, ;11

rrr

rrr

1,2, ssD fff −=

Dall’interferenza di fs,1e fs,2 nasce una

frequenza di battimento fD pari a:

( )

−+= 1,1,1, 1 isis ee

c

Uff

rrr

( )

−+= 2,2,2, 1 isis ee

c

Uff

rrr

L’osservatore posto in direzione es

percepisce due scattering dati da:

ei,1- ei,2

ei,2

ei, 1

U

ϑϑϑϑes

PhotoM

x

Ux

ϕϕϕϕ


LDA – Layout con 2 fasci incidenti

Sulla base di quanto visto:

( )( ) DI

xx

I

D fsen

UUsen

f

22

;22

θλ

λ

θ==

Si noti che:

1. es non compare nella relazione, quindi il sensore può essere posto ovunque

(con eventuali penalizzazioni sull’intensità).

2. La frequenza fd da rilevare è enormemente minore della frequenza della luce

incidente, che non compare nella espressione finale


LDA – Modello a frange d’interferenza

( )2

2 θλ

δsen

If =

Considerando i due fasci incidenti come treni di onde piane, nell’ellissoide

d’intersezione si formano frange di interferenza:

La distanza fra le frange δf dipende dalla lunghezza d’onda incidente e

dall’angolo di intersezione. Una particella dotata di velocità Ux, attraversando le

frange determina una radiazione di scattering oscillante in intensità con periodo

pari a:

( ) ( ) DI

x

x

I

x

f

D

fsen

UUsenUf

22

1

22

1

θλ

θλδ

=⇒==


LDA – Doppler Burst

( )2

2 θλ

δsen

If =


LDA – Ambiguità direzionaleIl sistema descritto presenta un’ambiguità rispetto alla direzione della velocità

misurata, ovvero lo strumento funzionerebbe con una caratteristica del tipo:fD

Ux

( )x

I

D Usen

ffλ

θ2

2

0 +=

Per risolvere l’ambiguità, si utilizza un dispositivo ottico (Cella di Bragg) che

aggiunge ad uno dei due fasci incidenti una frequenza (40 MHz). La relazione

funzionale frequenza misurata-velocità si altera in:

Ux

fD

f0

( )x

I

D Usen

fλ

θ2

2=

Se fD=40 MHz�Ux=0;

Se fD=0 MHz�Ux=-57 m/s;


LDA – Modi di ScatteringIn principio, la posizione del rilevatore non influenza la misura, ovvero fD.

L’intensità della radiazione di scattering è però influenzata dalla caratteristiche

ottiche del sistema:

-2

1st order refraction

-1

1

2

-2 -1 1 2

Incident ray

Reflection

2nd orderrefraction

3rd order

4th order

5th order

6th order

7th order

8th order

np

nm

np > nm


LDA – Modi di ScatteringEsempi di scattering di sistemi diversi:

f0-2

-1

1

2

-2 -1 1 2

Water droplet in air Air bubble in water

Inc

ide

nt

rays

Inc

ide

nt

rays

-2

-1

1

2

-2 -1 1 2


LDA – Layout tipiciLe caratteristiche ottiche del sistema sono sintetizzate in diagrammi di intensità

-3 -2 -1 1 2 3 4 5

-3

-2

-1

1

2

3parallelpolarization

perpendicularpolarization

1st order refraction

reflection

2nd order refraction

Lorenz-Mie

Si potranno realizzare

set-up del tipo:

•FORWARD Scattering

•BACKWARD Scattering

Analizzando:

-Intensità del segnale

-SNR del segnale


LDA – Diagramma di scattering


LDA – Layout tipici

Forward scatter

and side scatter

(off-axis)

� Difficult to align,

� Vibration

sensitive

Backscatter

� Easy to align

� User friendly

Receiving opticswith detector

Transmittingoptics

FlowReceiving optics

with Detector

FlowLaser

Braggcell

Detector Transmitting and receiving optics


LDA – Esempi di layout


PDA – Principio di misuraLa Phase Doppler Anemometry,

estensione dell’LDA, consente la misura

contemporanea di velocità e sizing delle

particelle.

Il principio di base è simile a quello

dell’LDA: si utilizzano in questo caso 2

fotomoltiplicatori. Un primo PM realizza

una normale LDA; il secondo, posto in

una posizione leggermente diversa

consente la misura del sizing.

Questa si realizza per un controllo dello

sfasamento fra i segnali di scattering

che giungono ai due PM in tempi diversi

per i diversi cammini ottici, tanto

maggiore quanto più grande la

particella.

Lo sfasamento cambia a seconda del

tipo di scattering che si utilizza

Inc

ide

nt

be

am

s

Detector 1

Detector 2


PDA – Layout ottico

X

Y

ϕϕϕϕ

Detector 1

Detector 2

Scattering plane

Flow

Z

θθθθ

ψψψψ

ψψψψ

• Angolo di intersezionedei fasci θθθθ

• Angolo di scattering ϕϕϕϕ

• Angolo di Elevazione ψψψψ

• Polarizzazione(parallel or perpendicular to scattering plane)

• Apertura del PM


PDA – relazione fra fase e curvatura dp

Φ =−

2

2 1

π

λ

θ ψ

θ ψ φ

dp sin sin

( cos cos cos )

Φ =−

+ + − +

2

2 1 1 2 12

π

λ

θ ψ

θ ψ φ θ ψ φ

d n

n n

p rel

rel rel

sin sin

( cos cos cos ) ( ( cos cos cos )

Riflessione:

Rifrazione del 1° ordine:

N:B: non ci sono costanti di calibrazione.


PDA – ambiguità 2π

ΦΦΦΦ1111

ΦΦΦΦ1111

ΦΦΦΦ2222

ΦΦΦΦ2222

ΦΦΦΦ3333

ΦΦΦΦ3333

′Φ3

′Φ3

� La differenza di fase

cresce con dp

� Lo sfasamento non può

superare 2π.

� Un sistema a 2 PM non

può risolvere l’ambiguità

2π.


PDA – Sistemi a 3 PMPer risolvere l’ambiguità 2π, si utilizzano 3 PM in modo da formare 2 coppie (1-

2 e 1-3) che lavorano come due PDA su scale diverse di sizing.

dmax

ΦΦΦΦ

ΦΦΦΦ1-2

ΦΦΦΦ1-3

360°

0d

dmeas.

ΦΦΦΦ1-2

ΦΦΦΦ 1-3

ψψψψ

ϕϕϕϕ

Detector 1

Detector 3

Detector 2


PDA – Sistemi a 3 PM

U1

U2Front lens

Composite lens

Aperture plate

Measurementvolume

Multimodefibres Detector Unit

with PMTs.

U3


PDA – Limitazioni: effetto di traiettoria � L’intensità della luce nel volume di misura é variabile, può quindi succedere

che il tipo di scattering cambi (da rifrazione a riflessione) seconda della

traiettoria della particella

� L’effetto é sentito solo per particelle grandi dp > ca. 50% del diametro del vol.

di mis.

Y Y

Z

GaussianIntensity

Projected slit Intersection volume


PDA – Limitazioni: effetto slit

� Ancora per grosse particelle, una parte della radiaizone di scattering

va persa (riflessione o rifrazione) alterando la tipologia dominante.

Y

Z

Projected slit Intersection volume


PDA – risultati

Esempio di analisi PDA time-resolved.Il sistema di misura è sincronizzato con l’evento periodico, è quindi possibile condurre un’analisi per

media d’insieme


PDA – risultati

Esempio di valori medi di sizing su diversi diametri del getto, tracciati a pari distanza assiale dal foro di uscita.Iniettore PFI.Sono specificati i tempi di media dei dati.


PDA – risultati

Esempio di ProbabilityDensity Function (PDF)del sizing di gocce di uno spray PFI

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