VERIFICA TERMOSTRUTTURALE DI UNA TESTATA DI UN MOTORE DUCATI

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1 Università degli Studi di Bologna Facoltà di Ingegneria A.A. 25/26 14 Dicembre 26 VERIFICA TERMOSTRUTTURALE DI UNA TESTATA DI UN MOTORE DUCATI Candidato: Andrea Ridolfi Relatore: Prof. Ing. Luca Piancastelli Correlatori: Prof. Ing. Gianni Caligiana Prof. Ing. Alfredo Liverani Dott. Ing. Daniele Marozzi Dott. Ing. Roberto Borsari 1

2 OBIETTIVI DELLA TESI Determinare la combinazione termico-pressoria che maggiormente sollecita la testata Mostrare alcuni aspetti particolarmente critici della geometria della testata durante il funzionamento 2

3 MOTORE DI RIFERIMENTO Bicilindrico a V 9 Distribuzione Desmodromica 4 Valvole per Cilindro Raffreddamento a Liquido Alesaggio: 1 mm Cilindrata: 998 cc Potenza Max: 124 cv Regime Max: 975 rpm Testata in Lega di Alluminio 3

4 Carichi Termici Contatto candela Combustione Contatto valvola d aspirazione Contatto valvola di scarico Olio Condotto d aspirazione Condotto di scarico Refrigerante 4

5 Modello Monodimensionale di Scambio Termico in Camera di Combustione Annand Bocchi Woschni Distribuzione Spaziale dei Flussi Termici 5

6 Condotti di Aspirazione e Scarico Temperatura = T(α) Pressione = P(α) Formulazione di Sieder & Tate Coefficiente di Scambio h 6

7 Refrigerante Fattori che Condizionano lo Scambio: Elevati Flussi di Calore Temperatura di Parete Meno Importanti: Convezione Forzata Proprietà del Fluido Velocità del Fluido Ebollizione Nucleata Finitura Superficiale Diametro Idraulico Depositi Confronto Modelli: Mc Adams Chen Medio tra i due 7

8 Modello FEM ANSYS Workbench 1. > 193 NODI > 12 ELEMENTI Comportamento non lineare dei: materiali in funzione della temperatura contatti tra sedi, guide e testa scambi termici del refrigerante 8

9 Stato Termico Stazionario - Risultati Punti T C Media 2 + C % C Conclusione: La Validazione del Modello risulta Ottima 9

10 Transitorio Termico Coefficienti Convezione nelle Zone della Camera di Combustione Camera Zona 1 Camera Zona 4 hmed h( α Camera Zona 2 Camera Zona 5 Camera Zona 3 Camera Zona 6 ) 1

11 Transitorio Termico Coefficienti Convezione nelle Zone della Camera di Combustione 5 Coefficiente Convezione nel Condotto Scarico Camera Zona 1 Camera Zona 4 hmed h( α ) Camera Zona 2 Camera Zona 5 Camera Zona 3 Camera Zona 6 Coefficiente Convezione nel Condotto Scarico 11

12 Transitorio Termico Coefficienti Convezione nelle Zone della Camera di Combustione 5 Coefficiente Convezione nel Condotto Scarico Coefficienti Convezione nelle Zone della Sede di Aspirazione Camera Zona 1 4Camera Zona 4 hmed h( α ) Camera Zona 2 Camera Zona 5 Camera Zona 3 Camera Zona 6 2 Coefficiente Convezione nel Condotto Scarico Sede Asp Zona 1 Sede Asp Zona 4 Sede Asp Zona 2 Sede Asp Zona 5 Sede Asp Zona 3 Sede Asp Zona 6 12

13 Transitorio Termico Coefficienti Convezione nelle Zone della Camera di Combustione 5 Coefficiente Convezione nel Condotto Scarico Coefficienti Convezione nelle Zone della Sede di Aspirazione Coefficienti Convezione Sede Scarico nel Condotto Camera Zona 1 4Camera Zona 4 hmed h( α ) 2 Camera Zona 2 Camera Zona 5 Camera Zona 3 Camera Zona 6 1 Coefficiente Convezione nel Condotto Scarico 5 Sede Asp Zona 1 Sede Asp Zona 4 Sede Asp Zona 2 Sede Asp Zona 5 Sede Asp Zona 3 Sede Asp Zona 6 Sede Scarico nel Condotto 13

14 Transitorio Termico Coefficienti Convezione nelle Zone della Camera di Combustione 5 Coefficiente Convezione nel Condotto Scarico Coefficienti Convezione nelle Zone della Sede di Aspirazione Coefficienti Convezione nelle Zone della Sede Scarico Coefficienti Convezione Sede Scarico nel Condotto hmed h( α ) 2 1 Camera Zona 2 Camera Zona 5 Camera Zona 1 4Camera Zona 4 Camera Zona 3 Camera Zona Convezione nel Condotto Scarico Coefficiente 5 6 Sede Asp Zona 1 4 Asp Zona 4 Sede Sede Asp Zona 2 Sede Asp Zona 5 Sede Asp Zona 3 Sede Asp Zona 6 2 Sede Scarico nel Condotto Sede Scar Zona 1 Sede Scar Zona 4 Sede Scar Zona 2 Sede Scar Zona 5 Sede Scar Zona 3 Sede Scar Zona 6 14

15 Transitorio Termico Risultati 1 Variabilità della Temperatura sulla Superficie affacciata in Camera di Combustione Ulteriore fattore di validazione del modello Temp Escursione Massima: 2 4 C (1-2% della Temp. max) Temperatura sulla Superficie della Camera di Combustione 2 4 C Gradi di Rotazione Albero Motore Temperatura 15

16 Transitorio Termico Risultati 2 66 Gradi di Sfasamento tra il Picco di Pressione ed il Picco di Temperatura Temperatura di Superficie VS Pressione in Camera di Combustione 8 3. Press. & Temp. Massime Temperatura Massima Pressione Massima Condizioni da Approfondire: Pressione [MPa] Gradi di Rotazione Albero Motore Pressione Temperatura 16 Temperatura [ C] 9

17 Verifica Termostrutturale Introduzione dei: Vincoli necessari al calcolo Carichi sui Prigionieri 17

18 Verifica Termostrutturale Introduzione dei: Vincoli necessari al calcolo Carichi sui Prigionieri Pressione in Camera Combustione 18

19 Verifica Termostrutturale Introduzione dei: Vincoli necessari al calcolo Carichi sui Prigionieri Pressione in Camera Combustione Pressione sulle Sedi Valvole 19

20 Verifica Termostrutturale Risultati 1 1-P. max Analisi dei 1 punti più sollecitati Non è presente una condizione che chiaramente sollecita in misura maggiore il materiale della testata. Piccole differenze in 3 punti (<6%) non riconducibili ad un unica condizione. 2-T. max Distribuzione delle tensioni piuttosto simile nei 3 casi. L escursione di temperatura superficiale durante il ciclo di funzionamento è ininfluente. 3-T. & P. max 2

21 Verifica Termostrutturale Risultati 2 Condizione 3 con Pressione Analisi della Condizione 3 Non si evidenzia una netta differenza tra i due casi. Il fattore temperatura è quello cruciale nel tensionamento del materiale. Condizione 3 senza Pressione 21

22 Aspetti Critici della Geometria Le maggiori tensioni sono presenti sui ponti termici. Concentrazioni di tensione nelle gole di alloggiamento degli anelli sedi-valvole dovute a: Differenti coefficienti espansione termica Interferenza di montaggio Tensioni di origine termica Geometria alloggiamento 22

23 Aspetti Critici di Origine Termica Temperature < C per evitare scadimenti eccessivi delle proprietà meccaniche del materiale Presente una piccola zona lato refrigerante in cui si verifica la condizione di criticità del flusso (Temp. >16 C). 23

24 Aspetti Deformativi Evitare il più possibile gli spostamenti relativi agli assi delle valvole Evitare di annullare il gioco delle valvole, altrimenti si trovano a lavorare a flessione La superficie di contatto della sede valvola deve mantenersi troncoconica. 24

25 Conclusioni La condizione suggerita in letteratura, di temperatura e pressione massime, per verificare e progettare una testata è corretta Il fattore temperatura è nettamente preponderante sulla pressione L escursione di temperatura durante il transitorio termico non ha effetti degni di nota sul tensionamento della testata Forti tensioni sui ponti termici Elevate concentrazioni di tensione negli alloggiamenti delle sedi valvole 25

26 Sviluppi Futuri Migliore caratterizzazione del materiale in temperatura. Proposte alternative per l alloggiamento delle sedi valvole. 26