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kart 250 cc 4T monocilindrico
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.

riflussi all'aspirazione coefficiente di riempimento

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.
sistema di scarico condotti entro-testa e sistema d'aspirazione

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).

albero a camme

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.

camera di combustione pistone

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.

sistema di distribuzione basamento

Conclusioni

Testata con sistemi di aspirazione e scarico e ingombri della sola testata

testata monocilindrico ingombri testata
 

Vista esplosa di tutti i componenti studiati

esploso

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.

coppia potenza

 

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