Progettazione di una camera di prova per spray automotive

The work that is presented concerns the design of a chamber for optical spray studies, produced by automotive injectors for direct injection of GDI gasoline. Experimental analysis under controlled test conditions are indispensable for studying the behavior of fuel sprays, but also for providing accurate data for calibration of CFD simulations. Modern test facilities require updating of the equipment currently used. A new geometry has been studied, taking into account the fact that the chamber must be as compact as possible, compatibly with the mechanical strength and the optical access required. This choice aims at minimizing the time required to reach the operating temperature, while choosing a different material with the respect to the previous chamber should allow a homogeneous temperature distribution in a shorter time. The chamber was modelled using a CAD-CAE software, after appropriate preliminary dimensioning. After the geometry was defined, tests were carried out to verify the homogeneity of the temperature and the structural strength of the chamber. From the analysis carried out, it was found that the heating time of the chamber is less than one magnitude order of the current one, in particularly the aluminum’s chamber takes about ten minutes to warm up compared to almost two hours of the steel chamber for equal electric power. However, even using aluminum, some issues of homogeneity persist in the temperature distribution due to about ten degrees Celsius between the top and bottom of chamber, at which the heater is positioned. In any case, the main limit is still the warming of the glasses, which is very slow, because of the very low thermal conductivity that characterizes them. This aspect, in the new chamber, is even more evident since larger glasses have been used. For these reasons, we have verified that, in order to achieve a homogeneous global temperature distribution, it is necessary to exploit an airflow that laps at the internal walls of the chamber by transferring heat through forced convection. As far as the chamber’s mechanical strength is concerned, it turns out that the aluminum structure is oversized, but the thickness can not be reduced, because it coincides with the dimensions necessary to ensure the minimum thread’s length in service. Thus, a FEM analysis would result redundant. For flanges, used to seal the openings when a glass is pointless, FEM analysis are carried out and the results were successful, since the efforts are up to eight times lower than the aluminum yield strenght, while the deformations have an order of magnitude as micron and therefore they are negligible. As regards glasses, they have not been subjected to rear-end checks because their thickness was computed by referring to the standard, so already during the phase of sizing, all correction coefficients were taken into account to ensure the glass integrity during experiments.

Il lavoro che viene presentato riguarda la progettazione di una camera destinata a studi ottici su spray, prodotti da iniettori automobilistici per iniezione diretta di benzina GDI. L’analisi sperimentale in condizioni di prova controllate è indispensabile per studiare il comportamento di spray di combustibile, ma anche per fornire dati corretti per la calibrazione di simulazioni CFD. Le condizioni di prova di impianti moderni richiedono l’aggiornamento dell’attrezzatura attualmente utilizzata E’ stata dunque studiata una nuova geometria, tenendo conto del fatto che la camera deve essere il più compatta possibile, compatibilmente con la resistenza meccanica e con gli accessi ottici richiesti. Questa scelta è volta a minimizzare il tempo necessario a raggiungere la temperatura di esercizio, mentre la scelta di un materiale diverso rispetto alla camera precedente dovrebbe consentire di ottenere una distribuzione omogenea di temperatura in tempi più brevi. La camera è stata modellata tramite l’ausilio di un software CAD-CAE, a valle di opportuni dimensionamenti preliminari. Successivamente alla definizione della geometria, sono state condotte delle analisi per verificare l’omogeneità di temperatura e la resistenza strutturale della camera. Dalle analisi svolte, è emerso che il tempo di riscaldamento della camera è inferiore di un ordine di grandezza rispetto a quella attuale, in particolare la camera in alluminio impiega circa dieci minuti a riscaldarsi rispetto alle quasi due ore della camera in acciaio, a parità di potenza elettrica fornita; tuttavia, anche usando l’alluminio persiste una certa disomogeneità nella distribuzione di temperatura di circa dieci gradi celsius tra la parte superiore e quella inferiore della camera, dove è posizionato il riscaldatore. In ogni caso, il limite principale è comunque rappresentato dal riscaldamento dei vetri, che è molto lento, a causa della bassissima conducibilità termica che li caratterizza. Questo aspetto, nella nuova camera, è ancora più evidente dal momento che sono stati utilizzati vetri di dimensioni maggiori. Per questi motivi, abbiamo verificato che per raggiungere una distribuzione omogenea della temperatura globale, è necessario sfruttare un flusso di aria che lambisca le pareti interne della camera trasferendo calore per convezione forzata. Per questo riguarda la resistenza meccanica della camera, è emerso che la struttura in alluminio è sovradimensionata, ma lo spessore non può essere ridotto, perché coincide con l’ingombro necessario per assicurare un numero minimo di filetti in presa. In tal senso, dunque, un’analisi FEM risulterebbe pleonastica. Per quanto riguarda le flange, usate per sigillare le aperture quando non è necessario utilizzare una specifica finestra, sono state effettuate delle analisi FEM che hanno dato esito positivo, in quanto gli sforzi sono fino a otto volte inferiori al carico di snervamento dell’alluminio, mentre le deformazioni hanno come ordine di grandezza il micron e quindi sono trascurabili. Per ciò che concerne il vetro, non sono state effettuate delle verifiche a posteriori, perché lo spessore è stato dimensionato facendo riferimento alla norma standard, quindi già durante la fase di dimensionamento, sono stati presi in considerazione tutti i coefficienti di correzione, che garantiscono l’integrità del vetro durante gli esperimenti.