Questo studio avanzato è stato effettuato allo scopo di rispondere in
maniera rapida alle esigenze dei costruttori per i regolamenti che hanno introdotto le
nuove categorie 4-Stroke Formulae con motori
a 4 tempi.
In un settore dove le esperienze sino ad oggi sono state tutte incentrate su motori a 2
tempi, per ottenere risultati di rilievo in tempi rapidi anche sui 4 tempi la progettazione termo-fluidodinamica è indispensabile
sia in fase iniziale che in fase di sviluppo.A seguire viene proposta una traccia degli
studi svolti sulla configurazione monocilindrica
prevista dal regolamento. Si può notare che l'attività, non è stata incentrata sul solo
aspetto termo-fluidodinamico, ma ha preso in esame globalmente gli aspetti progettuali del
motore. Ciò è stato importante in quanto partendo da foglio bianco si volevano fornire indicazioni generali sull'impostazione da dare al motore.
Parametri caratteristici di progetto
In conformità ai regolamenti si sono scelti i valori di alesaggio e corsa, realizzando
una configurazione nettamente super-quadra, per poter raggiungere elevate potenze
specifiche ad alti regimi. Anche il rapporto d'allungamento del manovellismo è stato
scelto con tale criterio. Il motore monocilindrico sfrutta la possibilità del regolamento
di utilizzare 4 valvole, pertanto si è scelta per la camera di combustione una
geometria a tetto, per poter sfruttare al massimo le aree di passaggio delle
valvole, mantenendo un basso angolo fra le valvole di aspirazione e di scarico; ne
risulterà una camera compatta con una buona combustione.
La progettazione del nuovo propulsore ha successivamente curato diversi aspetti,
mantenendo e verificando continuamente la realizzabilità di ogni parte e la coerenza fra
i vari componenti.
Progettazione termo-fluidodinamica del motore
La progettazione termo-fluidodinamica del motore è stata svolta con le metodologie ed
i software IES di simulazione di NT-Project.
Proprio grazie a questo approccio è stato possibile curare contemporaneamente i molti
aspetti fluidodinamici e le interazioni fra componenti, particolarmente importanti nei
motori ad alte prestazioni.
L'obiettivo primario era raggiungere un ragguardevole valore di potenza massima a
regimi di 12-13000 rpm, mantenendo però una buona uniformità e progressione della curva
di coppia, fattore essenziale per l'utilizzo nelle competizioni kart. Questo secondo
aspetto è sicuramente il più delicato perché, mentre risulta relativamente semplice
concentrare l'attenzione ai soli regimi di coppia e potenza massima per accordare
fluidodinamicamente il motore, è invece più complesso estendere il funzionamento
ottimale su un ampio range di regimi evitando irregolarità di coppia.
La simulazione termo-fluidodinamica del motore in esame ha consentito di raggiungere
tali risultati, combinando gli effetti benefici delle onde di pressione che si propagano
nei sistemi di aspirazione e di scarico. In sostanza oltre a cercare ottimi valori
prestazionali ad alti regimi, si sono progressivamente determinate le geometrie che
realizzano un compromesso da 8000 a 13000 rpm; ciò porta a mantenere in tale range i
valori di coeffieciente di riempimento al di sopra
dell'unità ed a ridurre al minimo i riflussi nella fase
di aspirazione e le perdite di carica fresca nella fase d'incrocio. Questo tipo di
approccio permette perciò di ottenere una curva di coppia particolarmente piatta ai
regimi medio-alti.
Tramite la simulazione si è agito prevalentemente su:
- diametri, lunghezze e forme dei vari tratti del sistema d'aspirazione (trombetta,
carburatore, manicotto, condotti entro-testa);
- geometria dei condotti entro-testa di scarico;
- layout e geometria del sistema di scarico, in particolare per determinare il punto
ottimale di giunzione;
- istanti ottimali d'accensione.
Inoltre si sono determinate le leggi d'alzata e le fasature che si accordano perfettamente con le geometrie già
fissate, ed i profili-camma sono stati ricavati in conformità con gli aspetti dinamici
(velocità ed accelerazioni).
Progettazione della camera di combustione
La camera di combustione a tetto scelta è stata dettagliatamente progettata tramite un
software sviluppato da NT-Project. In base alle scelte progettuali precedentemente
fatte, si sono determinate tutte le caratteristiche geometriche della camera, le
angolazioni fra gli assi delle valvole, la geometria delle "nicchie" sul cielo
del pistone per realizzare il rapporto di compressione voluto con una buona compattezza
(rapporto superficie/volume) che garantisca una rapida ed
efficace combustione.
Progettazione della distribuzione e ingombri testata
Per questa configurazione di motore si è scelta una distribuzione con un solo albero a
camme sulle valvole di aspirazione (OHC) e con un bilanciere "a forchetta" che
comanda le valvole di scarico. Questa scelta tecnica ha permesso di ottenere un motore
molto compatto e leggero, con una bassa complicazione
meccanica ed un basso numero di componenti nella distribuzione, a tutto
vantaggio dei costi di produzione e dell'affidabilità.
Conclusioni
Testata con sistemi di aspirazione e scarico e ingombri della sola testata
|
|
Vista esplosa di tutti i
componenti studiati
|
Pur avendo limitato notevolmente gli ingombri e curato l'affidabilità, grazie alla
simulazione termo-fluidodinamica il motore progettato fornisce una curva
di coppia estremamente piatta e di livello elevato per un ampio range e
raggiunge una potenza massima ragguardevole
per un monocilindrico.
|