PROGETTAZIONE E VERIFICA TERMOSTRUTTURALE DELLA TESTATA DI UN MOTORE MOTOCICLISTICO AD ALTE PRESTAZIONI

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1 Università degli studi di Bologna - Facoltà di Ingegneria - A.A. 2004/ dicembre 2005 PROGETTAZIONE E VERIFICA TERMOSTRUTTURALE DELLA TESTATA DI UN MOTORE MOTOCICLISTICO AD ALTE PRESTAZIONI Candidato: Daniele Marozzi Relatore: Prof. Ing. Luca Piancastelli Correlatori: Prof. Ing. Giorgio Bartolozzi In collaborazione con: DUCATI Prof. Ing. Sandro Salvigni Dott. Ing. Stefano Cassani Ing. Massimo Rosso

2 OBIETTIVO DELLA TESI Sviluppare un metodo di verifica termostrutturale della testata, semplice ed utilizzabile in fase di progettazione. Valutarne le potenzialità confrontando i risultati con i dati sperimentali.

3 PROGETTARE per le PRESTAZIONI

4 Verifiche sul componente T E RMIC HE : Temperature in camera di combustione Temperature lato acqua Temperature olio Punti caldi d innesco detonazione Scadimento proprietà materiale Problemi di ebollizione Degrado dei fluidi ME C C ANIC HE : Tensioni Rotture a fatica Deformazioni Funzionamento scorretto Interazione con i componenti Perdite di fluidi Occorre modellare anche il cilindro

5 Dati di riferimento Motore Bicilindrico a L Distribuzione desmodromica 4 Valvole per cilindro Raffreddamento a liquido 998 cc 124 CV a 9750 rpm Gruppo termico in lega di Ducati 999 Biposto alluminio

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

7 Modello monodimensionale di scambio termico in camera di combustione MASS IMA POT E NZA: rpm - C arico 100% Pressione = P(α) T emperatura = T (α) h gas,med = h g a s( α ) dα = 683 W/m² K Tgas,med 1 = hgas ( α ) Tgas ( α ) dα = 1103 C 720 hgas,med 0

8 Distribuzione spaziale dei flussi termici -Scambio termico gas - parete -Potenza dissipata per attrito del pistone -Scambio termico segmenti - parete -Scambio termico mantello - parete

9 Condotti di Aspirazione e di Scarico Temperatura = T(α) Portata = Q(α) Nu = 0,027 Re 0,8 Pr 0, 33 νg νp (Sieder & Tate) h [W/m²K] T [ C] Aspirazione Scarico

10 Refrigerante Elevati flussi di calore Fattori che condizionano lo scambio: Convezione Forzata Temperatura di parete Ebollizione Nucleata Proprietà del fluido Flusso Critico Finitura superficiale Depositi Meno importanti: o Velocità o Diametro idraulico Confronto Modelli: Chen Mc. Adams Thom & al. Forster & Zuber Rosenow

11 MODELLO MEF - ΛNSYS WorkBench NODI ELEMENTI Comportamento non lineare dei: - materiali in funzione della temperatura - contatti tra sedi, guide e testa - scambi termici del refrigerante - curve pressione-schiacciamento della guarnizione Step di carico: 1) Assemblaggio 2) Assemblaggio + Termico 3) Assembl. + Termico + Colpo di Pressione

12 Risultati Verifica Termica 1 1) C AMPO DE L L E T E MPE RAT URE PUNTI ΔT C C C C MEDIA + 5% 2) P OT E NZA A SPORT AT A DAL R E F RIG E RANT E SPERIMENTALE MODELLO W W + 2,6%

13 Risultati Verifica Termica 2 1) C AMPO DE L L E T E MPE RAT URE, corretto PUNTI ΔT C C C C Modifiche, basate su prove sperimentali: Pressione del refrigerante da 1.9 bar a 1 bar. Parabola di distribuzione spaziale dei flussi modificata. Flusso medio %. MEDIA + 0.2%

14 Risultati Tensione Equivalente Step 1 Step 2 Step 3 Le sollecitazioni maggiori si hanno all assemblaggio. Lo stato più pericoloso è al secondo step, il materiale è in temperatura.

15 Risultati Tensione Equivalente Step 1 Step 2 Step 3 Sollecitazioni maggiori al secondo step, a causa delle dilatazioni termiche. Al terzo step la pressione di contatto delle valvole migliora lo stato tensionale. Sedi al limite di sicurezza. Guide poco sollecitate.

16 Rilievi di durezza La permanenza della lega ad alte temperature ne modifica le caratteristiche meccaniche. Attraverso prove in forno è possibile stabilire una correlazione tra durezza e temperature raggiunta dal materiale, noto il tempo di permanenza. Ricavando dei piani su cui fare i rilievi Prova Sperimentale: può controllare la mappa termica. si Due teste, una nuova e che ha lavorato al banco per 5 h Taglio e spianatura su 3 piani Prova Brinell HBW 2.5 / 62.5

17 Risultati dei Rilievi Durezze sulla testa nuova, in prossimità del piano di simmetria. Scarto massimo sul piano: 7 HBW Scarto massimo totale: 12 HBW Massima durezza nel ponticello tra aspirazione e scarico

18 Risultati dei Rilievi Massime durezze nel ponticello e verso le zone calde; possibili cause: Carico termico basso e per tempo breve Alterazione della superficie con il taglio Trattamento termico incompleto

19 Conclusioni Il campo di temperature previsto è al limite di sicurezza. I carichi più rilevanti sono quelli di origine termica. La simulazione dell intero gruppo termico è molto onerosa e necessaria solo per la verifica della guarnizione. Le prove sperimentali necessitano di componenti di cui è nota la storia di carico.

20 Sviluppi futuri Caratterizzare il materiale in temperatura. Studio dei transitori e del creep.

21 Grazie a tutti per l attenzione