Modellazione e prove sperimentali di un riduttore di pressione di gas

Il presente articolo riguarda lo studio di un riduttore di pressione per l’impianto di alimentazione a metano di automobili.

Obiettivo dello studio è l’individuazione di parametri progettuali utili al controllo del rumore e delle vibrazioni indotte dagli iniettori lungo la linea di alimentazione del gas. L’attività è stata condotta in due fasi: la prima incentrata sulla modellazione del riduttore tramite Simcenter AMESim; la seconda volta all’analisi del rumore nel sistema.

I riduttori di pressione

I riduttori di pressione consentono di ridurre la pressione di una linea da un valore di monte (pressione di ingresso), predefinito e stabilito tipicamente da una stazione di compressione o da un serbatoio pressurizzato, a un valore di valle (pressione di uscita) desiderato e definito dall’utente finale. Obiettivi principali di tale componente sono:

  • mantenere costante la pressione di uscita indipendentemente dalle variazioni della pressione della linea a monte;
  • mantenere costante, entro certi limiti, la pressione di uscita al variare della richiesta di portata determinata dall’utenza.

Lo studio del funzionamento e la valutazione delle prestazioni di riduttori di pressione in relazione alla struttura costitutiva (a pistone, a membrana, con stadio pilota…) e alle caratteristiche funzionali, geometriche e di attrito dei componenti interni costitutivi è confermato da diversi lavori presenti nella letteratura tecnico-scientifica.

Gli studi condotti sono sia di tipo sperimentale, con descrizione della metodologia, dei banchi prova utilizzati e discussione dei risultati ottenuti, sia di tipo teorico mediante lo sviluppo e la discussione di equazioni e modelli matematici; questi possono fare uso di software di simulazione per la risoluzione numerica delle equazioni coinvolte.

In [1] gli autori hanno condotto un’analisi delle prestazioni dinamiche di un riduttore di pressione, per applicazioni oleodinamiche, utilizzando il software di simulazione Simcenter AMESim; in particolare, grazie al modello, sono state ottimizzate alcune grandezze interne (diametri di fori di passaggio, rigidezza della molla di regolazione), al fine di migliorare l’accuratezza, la stabilità e la prontezza del riduttore.

In [2] gli autori hanno condotto uno studio teorico per la valutazione delle prestazioni di un riduttore ad alta pressione per aria, analizzando il riduttore singolarmente o quest’ul- timo in presenza di valvola di sicurezza. Le equazioni del moto e di continuità del flusso all’interno dei condotti, unitamente agli effetti di inerzia e di attrito nei componenti meccanici presenti, sono state integrate e risolte numericamente. Sono stati analizzati i risultati ottenuti in condizioni sia dinamiche sia statiche; questi ultimi sono stati validati mediante prove al banco. Nello specifico, è stata valutata l’influenza dei volumi delle camere interne, del precarico e della pressione di monte sul comportamento del riduttore.

In [3] gli autori hanno condotto uno studio numerico e sperimentale sui riduttori di pressione pneumatici per l’automotive in presenza di perdite (leakage). Le analisi numeriche hanno fatto utilizzo sia di modellazione 1D mediante il software Simcenter AMESim sia modellazione 3D del tipo CFD mediante il codice di calcolo Ansys-Fluent. Più nel dettaglio, gli autori hanno elaborato in AMESim un modello di orifizio laminare con sezione modulata dalla posizione del corpo valvola ottenendo risultati migliori rispetto al modello di flusso sonico/isentropico comunemente utilizzato per gli orifizi. Inoltre, è stato tenuto in conto l’effetto prodotto dalle guarnizioni flessibili in elastomero presenti internamente al riduttore.

In [4] gli autori hanno studiato un nuovo regolatore di pressione per impieghi in sistemi di iniezione common rail di motori a combustione interna con l’obiettivo di ridurre le pulsazioni di pressione nel rail; la modellazione del sistema è stata effettuata in ambiente AMESim. È stato proposto un dispositivo di accumulo attivo che utilizza un attuatore piezoelettrico controllato (PZT) per ridurre le fluttuazioni di pressione; è stata anche individuata la posizione dell’attuatore nel condotto common rail che massimizza il suo effetto.

In [5] gli autori hanno effettuato uno studio parametrico del primo stadio di riduzione di un riduttore di pressione di gas a due stadi per aeromobili. Il sistema di pressurizzazione è un dispositivo cruciale e fondamentale per garantire l’alimentazione del combustibile alla pompa del motore. Anche in questo caso la modellazione è stata effettuata con AMESim e le principali prestazioni valutate sono la stabilità e la sovrappressione della pressione di uscita dal secondo stadio al variare di massa del corpo mobile, rigidezza della molla primaria e trafilamento delle guarnizioni del primo stadio di regolazione.