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kart 250 cc 4T bicilindrico
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 bicilindrica 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

Sulla base dell'impiego agonistico del motore si è scelto un rapporto corsa/alesaggio super-quadro e un rapporto di compressione abbastanza elevato, inoltre dal momento che il regolamento nei motori bicilindrici consente l'utilizzo di massimo due valvole per cilindro si è scelta la geometria della camera di combustione emisferica al fine di poter utilizzare valvole di diametro maggiore.

Progettazione termo-fluidodinamica del motore

Definiti i suddetti parametri caratteristici del motore, le curve prestazionali dipendono quasi esclusivamente dal comportamento termo-fluidodinamico dello stesso, per questo motivo è stata affrontata in primo luogo la progettazione termo-fluidodinamica con la metodologia IES.

Tenedo conto dell'impiego del motore ci si è posti l'obiettivo di ottenere una curva di coppia abbastanza regolare in un ampio range di funzionamento cercando nel contempo di raggiungere ragguardevoli livelli di potenza. Nell'ottica dell'affidabilità e degli aspetti economico-costruttivi si è cercato di raggiungere gli obiettivi senza fare scelte esasperate sia per il regime massimo di funzionamento che per le leggi d'alzata, come del resto è stato fatto nella definizione dei parametri caratteristici.

Dato che il regolamento vieta sistemi a geometria variabile, lo studio fluidodinamico dei sistemi di aspirazione e scarico, dei condotti entro-testa e delle fasature non può essere affrontato per massimizzare le prestazioni solo per una parte del campo di funzionamento, ma deve soddisfare tutti gli obiettivi preposti; pertanto si è cercata la soluzione che sia il miglior compromesso, e ciò è stato possibile solo grazie alla tecnologia della simulazione.

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

Le geometrie di aspirazione e scarico sono state studiate per ottenere andamenti delle onde di pressione che favorissero il riempimento al regime di coppia massima (11000 rpm), ma che nel contempo non lo penalizzassero eccessivamente su tutto il campo di funzionamento ed in particolare tra gli 8000 e i 13000 rpm, questo nell'ottica della regolarità di coppia e della potenza massima. Ciò è stato possibile facendo un progetto che:

  • parallelamente alla ricerca delle onde ottimali per il range desiderato limitasse gli effetti negativi che le stesse onde inevitabilmente portano agli altri regimi;
  • combinasse gli effetti delle onde generate dal sistema di aspirazione con quelli del sistema di scarico nella fase di incrocio, al fine di migliorare il riempimento nei regimi dove le onde generate dall'aspirazione non sono favorevoli, con l'aiuto dello scarico e viceversa.

effetti delle onde di pressione

 

A lato è mostrato il grafico di un indice che evidenzia come oltre gli 8000 rpm gli effetti d'onda influiscano positivamente sul riempimento.

 

riflussi all'aspirazione coefficiente di riempimento


Terminata questa fase sono state scelte le fasature e le leggi d'alzata in accordo con le geometrie individuate, ed in questo caso la scelta è stata fatta focalizzando l'attenzione sui regimi tra 8000-13000 rpm per sfruttare al meglio l'effetto inerziale agli alti regimi, ma evitando di penalizzare eccessivamente gli altri regimi del range interessato.

albero a camme

 

Progettazione della camera di combustione

Per questo motore 2 valvole per cilindro è stata scelta una camera di combustione emisferica al fine di poter utilizzare valvole di diametro maggiore, ed inoltre è stato definito il rapporto di compressione. Per avere una camera di combustione che oltre a rispettare tali caratteristiche consenta un buon processo di combustione è stato effettuato uno specifico studio con un software sviluppato da NT-Project. Grazie a tale software si sono potute studiare, l'emisfera della testata e la forma del cielo del pistone con relative nicchie per l'interferenza valvole, per ridurre al minimo il rapporto superficie / volume e quindi favorire la velocità di combustione, rispettando tutti i vincoli sopracitati ed evitando interferenze tra le valvole.

camera di combustione pistone

Progettazione della distribuzione e ingombri testata

Per contenere il peso del motore è stato effettuato uno studio della testata e del sistema di distribuzione; si è optato per l'utilizzo di un solo albero di distribuzione posto al centro della testata tra le valvole e si è studiato un lay-out che pur essendo molto compatto permette una facile accessibilità e consente ampi margini per eventuali evoluzioni dei profili delle camme o dei componenti stessi del sistema. Sono stati inoltre definiti i passaggi acqua tra basamento e testata, e per il basamento si è optato per la soluzione closed-deck e si è unito il passaggio acqua tra i due cilindri al fine di compattare il motore anche nella direzione dell'albero motore, a tutto vantaggio della rigidità di quest'ultimo.

sistema di distribuzione basamento

 

Conclusioni

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

testata bicilindrico ingombri testata
 

Vista esplosa di tutti i componenti studiati

esploso

Anche senza aver effettuato scelte tecniche esasperate, i risultati mettono in evidenza come attraverso una specifica attività di progettazione termo-fluidodinamica, si sia riusciti a raggiungere una potenza di assoluto rilievo pur mantenendo una curva di coppia regolare e su ottimi valori in un ampio range.

coppia potenza

 

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