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.
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.
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A lato è mostrato il grafico di un indice che evidenzia come oltre gli
8000 rpm gli effetti d'onda influiscano positivamente sul 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.
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.
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.
Conclusioni
Testata con sistemi di aspirazione e scarico e ingombri della sola testata
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Vista esplosa di tutti i
componenti studiati
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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.
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