Modellazione del sistema di raffreddamento della monoposto formula SAE

Università degli Studi di Modena e Reggio Emilia

Prefazione

Lo scopo di questo elaborato è descrivere come è stato modellato l’impianto di raffreddamento della monoposto Formula SAE dell’Università di Modena e Reggio Emilia (Unimore). La necessità di modellare e caratterizzare questo sistema nasce dal bisogno di validare i dati teorici rilasciati dai fornitori di radiatori, ventola e pompa dell’acqua adottati sulla monoposto 2018/2019. Ciò è utile per fornire piena consapevolezza dei pezzi utilizzati al momento della progettazione della vettura.

L’ambiente di lavoro è stato creato all’interno dei laboratori Unimore. Dovendo validare dati teorici, è stato infatti necessario predisporre un banco di flussaggio per il radiatore in modo da ottenere dati sperimentali. Per poter ottenere questi dati, la divisione di Gestione Termica del progetto Formula Student ha dunque predisposto un circuito in cui l’acqua, per simulare le condizioni di lavoro in auto, veniva riscaldata tramite un boiler per poi fluire all’interno del radiatore dove veniva raffreddata. Il sistema composto da boiler e radiatore presentava sensori per captare i dati di temperatura, pressione e portata. I dati venivano poi forniti in forma digitale tramite il software LabVIEW, programma di acquisizione e analisi dei dati della National Instruments. Gli elementi così ottenuti sono stati poi raccolti dagli studenti della Formula Student su un file Excel per essere analizzati e confrontati.

Il lavoro svolto nella seguente tesi vede per prima cosa l’introduzione alla competizione Formula SAE e alle prove in essa comprese. In seguito si menzioneranno le tecnologie, le ricerche e i procedimenti di calcolo compiuti fino ad oggi dal Team Unimore negli anni precedenti. Si passerà quindi alla spiegazione della costruzione fisica del banco di flussaggio, con cui sono stati rilevati i dati e alla spiegazione delle caratteristiche principali degli strumenti e del software utilizzati. Si analizzeranno poi nel dettaglio i 3 ambienti di lavoro: banco flussaggio a caldo, banco prova motore, banco flussaggio a freddo. Si studieranno poi i dati ottenuti da questi ambienti porgendo attenzione alla variazione dei parametri quali il numero di giri, la portata della pompa, la temperatura dell’acqua e la velocità delle ventole. Infine, si andranno ad esporre i risultati e le loro eventuali limitazioni tramite la realizzazione di grafici grazie ai quali validare i dati rilevati sperimentalmente attraverso il confronto con quelli teorici.

Sommario

• Prefazione ................................................................................................................. 5
• Capitolo 1: Introduzione alla Formula SAE ......................................................... 9
• Stato dell’arte ....................................................................................................... 15
• Capitolo 2: Metodologia .......................................................................................... 15
• Architettura ......................................................................................................... 15
• Cenni storici ......................................................................................................... 17
• Metodo differenza media logaritmica ............................................................. 17
• Procedimento efficienza-NTU ........................................................................... 20
• Capitolo 3: Strumenti e metodo .......................................................................... 23
• Realizzazione del banco ...................................................................................... 23
• Caratteristiche strumenti .................................................................................... 27
• Resistenze ......................................................................................................... 27
• Pompa ............................................................................................................... 28
• Sensori ............................................................................................................... 28
• Radiatore ........................................................................................................... 31
• Ventole ............................................................................................................... 33
• Regolatore di portata ......................................................................................... 34
• Software ............................................................................................................. 34
• Capitolo 4: Rilevamento dati ................................................................................ 37
• Banco caldo ......................................................................................................... 37
• Misurazioni ...................................................................................................... 37
• Risultati ........................................................................................................... 38
• Banco motore ...................................................................................................... 41
• Misurazioni ...................................................................................................... 41
• Risultati ........................................................................................................... 42
• Banco freddo ....................................................................................................... 43
• Perdite condotto di raffreddamento del motore ............................................... 44
• Caratterizzazione pompa ................................................................................... 46
• Caratterizzazione ventole .................................................................................. 48
• Conclusioni .......................................................................................................... 53
• Banco caldo ........................................................................................................ 53
• Banco motore ...................................................................................................... 53
• Banco freddo ...................................................................................................... 54
• Bibliografia ........................................................................................................... 55
• Ringraziamenti ....................................................................................................... 56
• Appendice ............................................................................................................. 56
• Indice delle figure .................................................................................................. 58
• Indice delle tabelle ................................................................................................ 60

Introduzione alla Formula SAE

Capitolo 1: Introduzione alla Formula SAE

La formula SAE (Society of Automotive Engineers), che in Italia viene organizzata dall'ATA (Associazione Tecnica dell'Automobile), è una manifestazione nata nel 1981 e ha l'intento di avvicinare al settore automotive gli studenti universitari, offrendo loro la possibilità di progettare da zero una monoposto con la quale competere, attraverso molteplici prove, ad un evento internazionale contro altre università. È dunque un’esperienza multidisciplinare nella quale gli studenti hanno la possibilità di mettere in pratica le conoscenze tecniche acquisite durante il percorso di studi e di comprendere il significato del lavoro di squadra.

La competizione, ad oggi, è diffusa in tutto il mondo, con una decina di eventi annuali, organizzati direttamente dalla SAE in collaborazione con le associazioni nazionali di ingegneri e tecnici dell’automobile. Lo scopo è quello di realizzare un prototipo di auto da corsa a ruote scoperte stile formula, con motore di derivazione tipicamente motociclistica, raffigurata in Figura 1.1.

Figura 1.1: circuito di Catalogna

Gli studenti delle facoltà ingegneristiche, provenienti da tutto il mondo, si sfidano nel concepimento, nella progettazione e nella realizzazione di queste monoposto secondo un rigido regolamento, emanato dall’organo centrale statunitense, atto soprattutto a garantire la sicurezza, lasciando comunque ampio spazio alle soluzioni tecniche adottabili, in modo da contribuire allo sviluppo di nuove tecniche produttive e progettuali.

Una stessa vettura può partecipare a tutti gli eventi della serie per i dodici mesi successivi al primo evento in cui compete purché conforme al regolamento in vigore. I teams normalmente impiegano dagli otto ai nove mesi per il progetto, la realizzazione e la messa a punto della vettura da competizione. Oggi si contano più di 140 università che concorrono nei campionati disputati in varie parti del mondo.

Ogni evento si articola in una serie di prove statiche e dinamiche ognuna delle quali contribuisce al conseguimento di un punteggio che determina la classifica finale, grazie al giudizio di un gruppo di giudici e alla valutazione oggettiva dei risultati in pista.

Le prove statiche sono finalizzate alla valutazione tecnica ed economica del progetto da parte dei giudici. Esse si svolgono in 3 fasi e sono divise in:

• Engineering design: in questa prova vengono valutate le scelte progettuali che sono state fatte grazie alla presentazione di un “Design Report” e un “Design Spec Sheet” contenenti i disegni elaborati e le specifiche tecniche della vettura. Questi aspetti vengono valutati dai giudici congiuntamente alla capacità del team di rispondere ai quesiti posti e all’ispezione della macchina. Ispezione volta alla verifica della conformità al regolamento del veicolo e dell’equipaggiamento dei piloti.
• Cost analysis: in questa prova si presentano i costi di produzione della vettura, raccolti in un apposito documento: il “Cost Report”. L’obiettivo di questa analisi è mettere a confronto il costo di un componente rispetto al budget a disposizione, in modo da ottimizzare le tecniche e i processi produttivi, fattore di fondamentale importanza nella progettazione ingegneristica.
• Business plan Presentation: discussione a carattere economico nella quale viene presentata la vettura quale prototipo per una ipotetica produzione in serie di 1000 vetture per un tempo limitato destinata a piloti non professionisti. Il costo del veicolo dovrà essere inferiore ai 25.000 $ e l’autoveicolo dovrà essere economico nei costi di gestione, semplice nelle regolazioni e affidabile. Dovranno inoltre essere rispettati dei criteri di ergonomia per consentirne l’utilizzo a utenti rientranti nel 95esimo percentile maschile e quinto percentile femminile.

Una volta verificata la conformità del veicolo alle norme indicate nel regolamento si ha accesso alle prove dinamiche in pista, volte alla valutazione delle prestazioni e della funzionalità quali l’agilità, la velocità e la guidabilità della vettura.

Le prove si dividono in:

• Acceleration: prova di accelerazione su un tracciato piano di 75m. La prova è divisa in due batterie che devono essere percorse da due piloti differenti ognuno dei quali ha a disposizione due tentativi.
• Skid-Pad: questa prova valuta la capacità di tenuta in curva della vettura. Il tracciato è un “8” formato da due cerchi di 12.5m.
• Autocross: prova di sprint da eseguire su circuito studiato per valutare la maneggevolezza della vettura.
• Endurance & Fuel Economy: è la prova finale che chiude il weekend di gare e mira a valutare le performance complessive della vettura. Si svolge sul tracciato dell’autocross e consiste in una prova di durata su una distanza di 22 km con cambio di pilota previsto a metà della gara, durante un periodo di sosta di massimo 3 minuti. La classifica per la fuel economy va a valutare i consumi della vettura durante l’endurance. Il punteggio è basato sul conteggio della media dei litri di carburante per chilometro.

Figura 1.2: prova di Endurance

I punti che si possono accumulare nelle varie prove sono in totale 1.000, e, come da regolamento, sono così ripartiti:

Per quanto riguarda il motore, il regolamento impone obbligatorio un motore a quattro tempi con cilindrata non superiore a 710 cc, per lo più di derivazione motociclistica. Il motore utilizzato dal Team MMR MoRe Modena Racing è un Suzuki GSXR 750 K7, quadricilindrico con biella allungata e corsa ridotta in modo da ottenere una cilindrata ammissibile di 708 cc senza modificarne il rapporto di compressione di 12,5:1. La disposizione del motore è longitudinale con trasmissione a coppia conica alla quale sono state tolte la prima e la sesta marcia.

Le gare a cui il Team vuole partecipare quest’anno si terranno nel circuito di Sylverstone (Inghilterra), Catalogna (Spagna) e al Red Bull Ring (Austria). Punto fondamentale del regolamento è l'aspirazione. Il sistema di aspirazione deve essere progettato tenendo conto del fatto che sarà presente una riduzione a sezione trasversale del condotto a monte della valvola a farfalla, in particolare la strizione non può superare 20mm per motori a benzina e 19 mm per motori a etanolo. Ciò riduce notevolmente la potenza, infatti i motori da Formula SAE hanno generalmente prestazioni inferiori ai 100 CV.

Per l'impianto di raffreddamento il regolamento non prevede alcuna restrizione e lascia libera la progettazione, afferma soltanto che il liquido utilizzato per refrigerare il motore deve essere acqua senza nessun additivo che ne migliori le prestazioni.

Considerando le prove, precedentemente illustrate, che si devono affrontare durante lo svolgimento delle gare, ottimizzare al meglio il sistema di raffreddamento può produrre notevoli vantaggi. Caratterizzare correttamente pompa, ventole e radiatore porta ad una scelta consapevole dei componenti da utilizzare in vettura e di conseguenza ad una diminuzione del peso e ad una miglior suddivisione degli spazi, che a sua volta produce l’ulteriore beneficio di abbassare il baricentro. Tutte queste considerazioni risultano molto importanti per la gara di Skip-pad, inoltre affinare il flusso d’acqua interno ai condotti, ovvero diminuire le perdite, aiuta a migliorare l’efficienza di raffreddamento dei radiatori, altra caratteristica di grande rilevanza durante la gara di Endurance.

Per quanto concerne i risultati ottenuti dal team, dalle gare degli anni passati si può notare un trend positivo per la gara di Acceleration, mentre un trend decisamente opposto per la gara di Endurance. Come è possibile notare dalla telemetria riportata di seguito, rilevata nel circuito di Varano de Melegari (PR) nell’anno 2018, la temperatura dell’acqua, evidenziata a destra e rappresentata dalla linea azzurra, non è costante.

Figura 1.3: telemetria vettura 2018 pista di Varano de Melegari

L’accensione delle ventole, a seguito del superamento della temperatura di 90 °C, abbassa troppo la temperatura del liquido di raffreddamento, portandola intorno ai 70 °C. La causa è derivata da una cattiva progettazione dell’impianto di raffreddamento che ha portato all’adozione di radiatori sovradimensionati, causando una continua oscillazione della temperatura dell’acqua, con una conseguente oscillazione del calore asportato dal motore e, in quantità minore, anche dall’olio, rappresentato dalla linea verde in parte coperta da quella azzurra dell’acqua.

Da quanto detto risulta quindi di fondamentale importanza una progettazione ottimale del sistema di raffreddamento che dovrà tenere conto di aspetti che stanno alla base del progetto complessivo della macchina.

Figura 1.4: vista posteriore vettura senza carene

Stato dell’arte

Capitolo 2: Stato dell’arte

L’argomento riguardante la progettazione e l’ottimizzazione dell’impianto di raffreddamento per una vettura Formula SAE è un problema che accomuna moltissime università, a partire da quelle italiane come ad esempio Padova, per passare agli esempi europei delle università di Leeds e Worcester nel Regno Unito, fino a sbarcare nel Nuovo Galles del Sud in Australia o al politecnico di San Luis in California. Da quest’anno anche l’università di Modena e Reggio Em...