Studio e ottimizzazione di un motore 2 tempi a benzina

Scuola di ingegneria e architettura

Sede di Bologna

Corso di Laurea in Ingegneria Meccanica

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Studio e ottimizzazione di un motore 2 tempi a benzina

Tesi di Laurea in Progettazione Assistita di Componenti Meccanici

Relatore Presentata da Prof. Luca Piancastelli Andrea Miglianti

Parole chiave: motore, combustione, progettazione, verifica strutturale, studio materiali Sessione 12/2023

Anno Accademico 2022/2023

Dedica

Ai miei genitori, Warinia e Davide.

Una macchina può fare il lavoro di 50 uomini comuni, ma nessuna macchina può fare il lavoro di un uomo straordinario…

Elbert Hubbard (1856 – 1915)

Abstract di tesi

Il seguente progetto è stato svolto per andare a studiare il funzionamento e l’ottimizzazione di un motore due tempi a benzina. Lo scopo era quello di applicare le proprie conoscenze teoriche e pratiche a un progetto simulativo che rispecchiasse il più possibile la realtà. Si è partiti dal definire un obiettivo di prestazioni e la cilindrata da utilizzare, per poi andare a formulare tutte le ipotesi possibili, al fine di completare il progetto in maniera coerente.

Prima della simulazione vera e propria, si è andati a effettuare uno studio inerente alle valvole e alle luci presenti nel motore, al fine di ottenere i coefficienti di efflusso da inserire nel software dedicato. Si è poi andati a effettuare la simulazione tramite il software GT-Power per verificare le prestazioni ottenute in base alle scelte prese in fase di progettazione.

Dopo aver ottimizzato alcune grandezze, come, per esempio, pressioni e temperature, e dopo aver ottenuto i risultati richiesti, si è andati a effettuare la modellazione tridimensionale delle varie parti del motore mediante il software SolidWorks, effettuando anche lo studio dei materiali da utilizzare. Terminata la modellazione, si è passati alla fase di verifica dei componenti più sollecitati, per avere la conferma di aver scelto i materiali giusti e aver creato le geometrie corrette.

Il progetto ha dato esito positivo alla verifica di ogni componente, confermando così, la corretta scelta delle geometrie e dei materiali utilizzati, ottenendo delle curve di prestazione coerenti. Per le geometrie e per i materiali scelti si è ottenuto una buona ottimizzazione, soprattutto tenendo conto delle prestazioni richieste.

Indice

• Indice delle immagini 1.................................................................................
• Introduzione 4................................................................................................
• Simulazione GT-Power 5...............................................................................
• Risultati ottenuti 9..........................................................................................
• I. Pressioni massime nei condotti di aspirazione e di scarico: ..................................................... 9
• II. Temperature massime nei condotti di aspirazione e di scarico: ................................................ 9
• III. Pressioni massime in camera di combustione: ....................................................................... 10
• IV. Temperature massime in camera di combustione: .................................................................. 11
• V. Efficienza del motore: ............................................................................................................. 12
• VI. Potenza del motore: ................................................................................................................ 13
• Modellazione delle parti 15............................................................................
• Sistema di raffreddamento: 15............................................................................................................
• Testa del cilindro: 16...........................................................................................................................
• Cilindro e condotti 19..........................................................................................................................
• Biella 22..............................................................................................................................................
• Albero motore................................................................................................................................. 23
• Pistone 24............................................................................................................................................
• Basamento 26......................................................................................................................................
• Sistema di scarico 27...........................................................................................................................
• Disegno completo 29...........................................................................................................................
• Analisi strutturale dei componenti più sollecitati 31....................................
• Analisi termica del pistone ............................................................................................................. 31
• Analisi strutturale del pistone ......................................................................................................... 32
• Analisi strutturale biella ................................................................................................................. 34
• Compressione zona piede ........................................................................................................... 35
• Trazione zona piede .................................................................................................................... 37
• Compressione zona testa ............................................................................................................ 39
• Trazione zona testa ..................................................................................................................... 41
• Analisi strutturale albero motore .................................................................................................... 44
• Analisi dei cuscinetti volventi ........................................................................................................ 46
• Conclusioni 50...............................................................................................
• Bibliografia 52...............................................................................................
• Ringraziamenti

Indice delle immagini

• Figura 1 - Progetto GT-Power ............................................................................................................................ 5
• Figura 2 - Andamento dell'apertura delle luci di aspirazione (sinistra) e di scarico (destra) ............................. 7
• Figura 3 – Andamento pressioni nei condotti di aspirazione e di scarico .......................................................... 9
• Figura 4 - Andamento temperatura nei condotti di aspirazione e di scarico ...................................................... 9
• Figura 5 - Pressione in camera di combustione ................................................................................................ 10
• Figura 6 - Temperatura in camera di combustione ........................................................................................... 11
• Figura 7 - Efficienza del motore....................................................................................................................... 12
• Figura 8 - Potenza del motore .......................................................................................................................... 13
• Figura 9 - Tabella diametri viti in base alla sezione resistente ......................................................................... 17
• Figura 10 - Cilindro e condotti ......................................................................................................................... 19
• Figura 11 - Mesh della sezione interna al cilindro ........................................................................................... 20
• Figura 12 - Flusso interno al cilindro ............................................................................................................... 21
• Figura 13 – Biella ............................................................................................................................................. 22
• Figura 14 - Albero motore ................................................................................................................................ 23
• Figura 15 – Pistone ........................................................................................................................................... 24
• Figura 16 – Basamento ..................................................................................................................................... 26
• Figura 17 - Sistema di scarico .......................................................................................................................... 27
• Figura 18 - Mesh dello scarico ......................................................................................................................... 28
• Figura 19 - Flusso gas di scarico ...................................................................................................................... 28
• Figura 20 - Motore completo ........................................................................................................................... 29
• Figura 21 - Andamento temperatura pistone .................................................................................................... 31
• Figura 22 - Posizionamento pressioni e vincoli nel pistone ............................................................................. 32
• Figura 23 - Andamento delle tensioni nel pistone ............................................................................................ 33
• Figura 24 - Andamento coefficiente di sicurezza ............................................................................................. 33
• Figura 25 - Schema forze e vincoli biella - Primo caso di compressione ........................................................ 35
• Figura 26 - Distribuzione delle tensioni - Primo caso di compressione ........................................................... 36
• Figura 27 - Schema forze e vincoli biella - Primo caso di trazione ................................................................. 37
• Figura 28 - Distribuzione delle tensioni - Primo caso di trazione .................................................................... 38
• Figura 29 - Schema forze e vincoli biella - Secondo caso di compressione .................................................... 39
• Figura 30 - Distribuzione delle tensioni - Secondo caso di compressione ....................................................... 40
• Figura 31 - Schema forze e vincoli biella - Secondo caso di trazione ............................................................. 41
• Figura 32 - Distribuzione delle tensioni - Secondo caso di trazione ................................................................ 42
• Figura 33 - Grafico di Goodman - Smith per l'acciaio 16NiCrMo2 ................................................................ 431
• Figura 34 - Forze e vincoli - Prima condizione di carico ................................................................................. 44
• Figura 35 - Tensioni albero motore - Prima condizione di carico .................................................................... 45
• Figura 36 - Forze e vincoli - Seconda condizione di carico ............................................................................. 45
• Figura 37 - Tensioni albero motore - Seconda condizione di carico ................................................................ 46
• Figura 38 - Fattore correttivo in funzione dell'affidabilità ............................................................................... 47
• Figura 39 - Coefficiente di effetto dinamico .................................................................................................... 4723

Introduzione

L’elaborato si concentra sulla progettazione, e sulla successiva analisi, di un motore 2 tempi a benzina, monocilindrico, che deve erogare una potenza di circa 100 cavalli. Un altro obiettivo, è quello di andare a effettuare uno studio più approfondito sulla scelta dei materiali, sulle fasi del motore e sul dimensionamento dei condotti di scarico, per andare a ottenere una buona ottimizzazione. Inoltre, la cilindrata è fissata a circa 300cc.

Per questo studio si utilizzeranno vari software utili alla progettazione e alla successiva analisi, per ottenere così un “prototipo” finale che possa avvicinarsi il più possibile alla realtà. Bisognerà affidarsi, quindi, alle sole prove sperimentali ottenute da tali software, dato che non sono previste delle prove al banco, che andrebbero a controllare la veridicità dei risultati ottenuti.

La progettazione inizia con il calcolo delle dimensioni fondamentali del motore che si possono ottenere dalla cilindrata, ovvero, alesaggio, corsa e lunghezza della biella. Una volta ottenuti tali valori si può iniziare la simulazione dei vari scenari possibili, con l’utilizzo di GT-Power, che a partire dai dati di input, alesaggio, corsa e lunghezza biella, e dagli altri dati che andremo a impostare, geometria dei condotti di aspirazione e scarico, fasatura delle valvole e delle luci, geometria del cilindro, tipo di combustione, ecc, ci restituisce i grafici di performance e di stress che avrebbe il nostro motore.

Una volta terminata la simulazione con GT-Power, si è passati alla modellazione tridimensionale di tutte le varie parti del motore tramite il software SolidWorks, che è in grado di modellare anche parti estremamente complesse.

Come ultima parte della progettazione, creati i disegni di tutti i componenti del motore, si è passati a effettuare la verifica statica e dinamica degli elementi più sollecitati, ovvero, pistone, biella e albero motore. Per quest’ultima fase si è utilizzato il software ANSYS. 4

Simulazione GT-Power

Si è partiti definendo la geometria del pistone, partendo dalla dimensione della cilindrata, ovvero 300cc, e si è ottenuto un alesaggio di 72 mm e una rispettiva corsa di 72 mm. Il passaggio dell’aria nel cilindro è regolato da una valvola lamellare, che ne regola il passaggio nel carter pompa, un travaso, che porta l’aria da esso direttamente al cilindro in corrispondenza della camera di combustione e successivamente lo scarico. Il pistone regola direttamente l’apertura delle luci di scarico e di aspirazione, muovendosi dal PMS al PMI.

Figura 1 - Progetto GT-Power

Lo schema del motore presenta diversi “blocchi” che devono essere analizzati e dimensionati in maniera coerente per ottenere le prestazioni richieste. I componenti principali sono:

• 1. Condotto di aspirazione: è l’elemento che preleva l’aria dall’ambiente e lo invia al carter pompa che ne regola il flusso mediante una prima valvola a farfalla e, successivamente, mediante una valvola lamellare;
• 2. Corpo farfallato o valvola a farfalla: è l’elemento denominato ThrottleConn, ed è uno dei componenti più importanti del progetto perché regola direttamente la quantità di aria in ingresso nel motore. La quantità di aria che attraversa tale componente dipende direttamente dalla rotazione che viene effettuata con l’acceleratore e, quindi, va opportunamente dimensionata e analizzata per ottenere i coefficienti di efflusso. 5

Il diametro scelto è quello del condotto di aspirazione, ovvero 90mm, mentre, per effettuare lo studio dei coefficienti di efflusso, si è utilizzato il software ANSYS. Partendo da un disegno tridimensionale del condotto, al cui interno viene inserita la valvola a una determinata angolazione, si procede alla simulazione fluidodinamica del flusso di aria che verrà aspirata.