Catapano, Francesco Caratterizzazione dei processi di formazione della miscela e di combustione in motori ad accensione comandata ed iniezione diretta mediante diagnostiche non convenzionali. [Tesi di dottorato]

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Da molti anni l’iniezione diretta nei motori ad accensione comandata è considerata una delle tecnologie più promettenti per il raggiungimento degli obiettivi di basso consumo di combustibile, nel rispetto dei limiti di emissione, e miglioramento delle prestazioni degli attuali propulsori. I motori DISI hanno mostrato, finora, ottime prospettive di sviluppo purtroppo ancora in parte disattese, vista la varietà e complessità dei parametri che sono implicati nell’ottimizzazione del sistema nel suo complesso. Da questo scaturisce l’opportunità di approfondire la conoscenza dei processi termo fluido-dinamici che avvengono nel cilindro e in particolar modo della metodologia di formazione della carica stratificata, mediante i potenti strumenti di indagine offerti dai motori otticamente accessibili e attraverso una sinergica attività numerico-sperimentale. L’attività di dottorato è stata focalizzata sullo studio dei fenomeni che caratterizzano i motori DISI, con particolare riferimento alla formazione della miscela e alla combustione in condizioni di carica omogenea e stratificata, mediante diagnostiche convenzionali e non convenzionali. A questo scopo è stato, in primo luogo, realizzato e messo a punto un motore otticamente accessibile pluricilindrico, derivato da un motore commerciale DISI, cercando di mantenere inalterate il più possibile le sue caratteristiche funzionali. In seguito, grazie al motore strumentato opportunamente, è stata condotta un'estesa attività sperimentale, con lo scopo di approfondire la conoscenza dei fenomeni chiave che caratterizzano questa tipologia di motori, anche riguardo l’utilizzo di combustibili alternativi, quali il bio-etanolo in forma pura e in miscela. Questo studio ha mostrato come il tipo di combustibile abbia un ruolo importante nella formazione della miscela, incidendo sia sulle prestazioni sia sulle emissioni di idrocarburi incombusti e di particolato sotto forma di particelle nanometriche. In particolare, ha evidenziato la grande dipendenza dalla condizione operativa del comportamento dell’etanolo e delle sue miscele con la benzina, in special modo in condizioni di carica stratificata. Mentre nella condizione al minimo, l’etanolo puro ha mostrato di migliorare sia variabilità ciclica sia emissioni grazie ad una migliore miscelazione, in condizioni di carico medio le differenze con la benzina in termini di prestazioni sono risultate inferiori. Per quanto riguarda le miscele, è stato osservato che, l’attesa diminuzione delle emissioni di particolato, non si verifica sempre al crescere della percentuale di etanolo e in tutte le condizioni operative. Ma l'aggiunta di etanolo può creare condizioni favorevoli per la formazione di particelle di soot dai composti pesanti della benzina e che questo effetto è esaltato, inoltre, dai tempi limitati per l’evaporazione e il mescolamento e dagli effetti di impingement dei getti. Pertanto, al fine di ottenere i miglioramenti promessi dai motori DISI, un ruolo molto importante è svolto dall’ottimizzazione congiunta dei sistemi, delle strategie di iniezione e della composizione del combustibile, anche attraverso una stretta collaborazione tra modellazione CFD e misure ottiche ad alta risoluzione spaziale e temporale in camera di combustione.

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