Studio e ottimizzazione di un motore 2 tempi a benzina

A differenza dei componenti spiegati precedentemente, in questo caso non verrà utilizzata una lega

di alluminio, ma bensì un acciaio alto resistenziale: la lega 16NiCrMo2 è ottima per questo tipo di

componenti perché gli elementi in lega come il nickel, il cromo e il molibdeno aumentano la

resistenza meccanica della lega. In questo caso la quantità di carbonio contenuto è dello 0.16%

(acciaio debolmente legato, quindi, meno fragile) ed è presente lo 0,5% di nickel, mentre il tenore

degli altri elementi di lega è relativamente basso. 22

Albero motore Figura 14 - Albero motore

L’albero motore è quel componente che preleva il moto della biella, convertendo così quello rettilineo

alternativo del pistone, a circolare (la cui velocità non è costante ma dipende direttamente da quanto

veloce si muove il pistone). È formato dai perni di banco, ovvero quelli coassiali che porteranno il

moto alla trasmissione, e quello di biella, ovvero quello dove essa verrà collegata. Il centro del perno

di biella deve essere posizionato a una distanza pari alla metà della corsa rispetto ai perni da banco,

così da rispettare la distanza che c’è tra il PMI e il PMS del pistone. Inoltre, i perni di banco devono

avere un diametro maggiore di quello di biella, per fare in modo che aumenti la resistenza meccanica

dell’albero. I perni sono collegati mediante delle flange che possiedono ognuna un contrappeso, per

bilanciare così le forze centrifughe che si creano durante il moto.

Nella zona terminale è stato dimensionato un volano, ovvero un disco cilindrico di dimensioni

dipendenti dal numero dei cilindri. È stato inserito perché, grazie al suo peso, riesce a contrapporsi

alle variazioni di velocità dell’albero motore, così da uniformarne la velocità. Così facendo riesce

anche a ridurre le vibrazioni, che si verrebbero a formare a causa della disomogeneità del regime di

rotazione.

Sono state inserite le sedi per due cuscinetti volventi di classe 6005, che serviranno ad accoppiare

l’albero motore con la struttura del basamento, che verranno bloccati grazie a due anelli seeger. In

più, è stata predisposta la sede per una linguetta di tipologia UNI 6604 A.

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Per la scelta del materiale va tenuto conto di due fattori:

1) Il moto, essendo rotatorio, genera delle sollecitazioni di tipo torsionale;

2) I perni di biella, a causa delle forze concentrate prodotte dalla biella, generato degli sforzi che

tendono a flettere l’albero motore, essendo vincolato ai soli estremi

Si genera così una situazione chiamata flessione rotante, che deve essere presa in considerazione

durante la scelta del materiale. Viene perciò scelto un acciaio 36CrMn5, che ha un’ottima resistenza

meccanica grazie a una discreta quantità di carbonio (0.36%), ed è molto economico.

Pistone Figura 15 – Pistone

Il pistone è un elemento estremamente sollecitato del motore perché è colui che partecipa direttamente

alla combustione.

È formato da:

1) un foro centrale, necessario ad ospitare uno spinotto che servirà per il collegamento con la

biella; 24

2) tre asole ricavate nelle pareti e necessarie ad ospitare gli anelli elastici. Essi serviranno a

mantenere la tenuta stagna del sistema dato che è necessario un piccolo gioco tra la canna del

cilindro e pistone;

3) un taglio curvilineo inferiore utile per alleggerire il componente.

L’altezza del pistone deve essere proporzionale all’alesaggio e dipende direttamente al tipo di motore.

Il range medio è di circa 0.94 ÷ 1.46 volte il valore del diametro (che nel nostro caso è di 72mm), e

il valore scelto è di 95mm. Lo svuotamento interno è stato fatto per accogliere lo stantuffo, e per

alleggerire il componente.

Il ruolo del pistone è quello di comprimere la miscela aria benzina nel percorso dal PMI al PMS e di

comprimere l’aria presente nel carter pompa, per alimentare direttamente la camera di combustione

mediante dei travasi, nel percorso dal PMS al PMI.

La lubrificazione è un argomento assai delicato per questa tipologia di motori, dato che il carter

pompa viene usato come sistema di alimentazione della miscela, e quindi, non può contenere olio.

Per ovviare a questo problema la maggior parte dei motori due tempi utilizzano una lubrificazione “a

perdere”, che consiste nell’aggiungere olio direttamente nella miscela, per permettere la

lubrificazione del pistone durante il suo moto. Lo strato di olio che si viene a formare è estremamente

sottile ma garantisce una buona lubrificazione. Sotto il punto di vista dei consumi lo svantaggio è che

l’olio, esattamente come la miscela, parteciperà alla combustione e quindi sarà necessario avere

sempre olio nuovo e pulito da mettere in circolo.

Il cielo del pistone non è a forma cilindrica retta ma bensì bombata. Si è deciso di dare questa

geometria per migliorare la resistenza dovuta alle grandi pressioni in camera di combustione e per

garantire un corretto flusso di aria in camera di combustione.

La scelta del materiale deve soddisfare un’alta resistenza meccanica dovuta alle grandi pressioni ma

anche una buona resistenza alle alte temperature. Il materiale scelto è una lega di alluminio della serie

4000, ovvero una lega in cui è presente anche silicio, utile ad aumentare le proprietà meccaniche e

termiche della lega e per diminuirne la duttilità, così da evitare deformazioni durante la combustione.

Per l’esattezza la lega scelta è una EN AW-4032.

Per andare ad aumentare la resistenza del pistone si potrebbe andare a effettuare un trattamento di

anodizzazione sulla faccia principale, così da aumentarne la durezza superficiale. Nel nostro caso tale

trattamento è superfluo perché le pressioni in gioco non sono troppo elevate.

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Basamento Figura 16 – Basamento

È l’elemento più semplice da disegnare perché non ci sono dimensioni precise da rispettare se non il

rapporto di precompressione, e la posizione reciproca tra il foro dell’albero motore e la base di

appoggio del cilindro.

La dimensione dei quattro fori è stata scelta arbitrariamente perché non si conoscono i carichi che

agiscono in quella zona e quindi si è andati a sovradimensionarli. I fori ospitano 4 viti filettate M12.

L’unico vero obiettivo è andare a scegliere un materiale abbastanza leggero per ottimizzare il peso e

aumentare le prestazioni. Come per il pistone si è scelta una lega alluminio silicio che garantisce

buone resistenze meccaniche e buona leggerezza.

La dimensione interna del basamento deve essere tale da essere il più piccolo possibile per evitare

ingombri inutili ed elevati. Si è infatti andati a prendere il valore del diametro dell’arco del

contrappeso dell’albero motore, per andare a scegliere di quale dimensione fare la “camicia” del

basamento.

Il coperchio che si vede all’esterno del basamento è stato realizzato per contenere il volano ed è stato

fissato mediante l’utilizzo di 8 viti M6 a testa cilindrica con cava esagonale così da garantire una

buona tenuta. 26

Sistema di scarico Figura 17 - Sistema di scarico

Il sistema di scarico è quel componente in grado di disperdere nell’ambiente i gas ottenuti dalla

combustione. Essendo un motore due tempi, si riescono ad aumentare le prestazioni se i gas

percorrono il condotto nella maniera corretta, e proprio per questo motivo, è importante il suo

dimensionamento. La prima zona è collegata direttamente allo scarico del cilindro ed è a sezione

costante. Successivamente è presente un tratto divergente che permette l’espansione dei gas di scarico

per poi aumentarne la velocità grazie all’ultimo tratto convergente, che poi rimarrà costante fino allo

scarico vero e proprio. Le dimensioni da studiare sono i vari diametri dei tratti a sezione costante,

convergente e divergente. Le dimensioni scelte sono:

1) Tratto a sezione costante iniziale: 60mm

2) Tratto divergente: da 60mm a 135mm

3) Tratto convergente: da 135mm a 23mm

4) Tratto a sezione costante finale: 23mm

Tale dimensionamento permette un corretto flusso dei gas di scarico, aumentando così le prestazioni

del motore. Per andare ad analizzare il flusso dei gas di scarico è stata creata una simulazione CFD.

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Si è partiti dalla creazione di una mesh fluida, utilizzando il disegno tridimensionale dello scarico,

ricavandone poi la sezione interna: Figura 18 - Mesh dello scarico

Una volta creata la mesh, è stato impostato il tipo di fluido, ovvero principalmente CO e

2,

successivamente sono state definite le condizioni al contorno di ingresso, ovvero, elevata velocità dei

gas di scarico ad elevata temperatura. Si è poi andati a effettuare la simulazione, impostando un

numero di interazioni pari a cento, e si è andati a controllare il flusso:

Figura 19 - Flusso gas di scarico

Si può notare che nella zona di uscita i gas di scarico hanno velocità più elevata rispetto all’ingresso,

soprattutto grazie alla geometria dello scarico. 28

Disegno completo

Una volta terminata la modellazione, è stato creato un assieme contenente tutte le parti e tutti gli

accoppiamenti necessari per ottenere il moto voluto:

Figura 20 - Motore completo

Grazie al software SolidWorks, si è potuti risalire alle dimensioni e al peso del complessivo:

• Volume totale occupato (Lunghezza x Altezza x Larghezza): 360 mm x 320 mm x 245 mm

• Peso totale: 9,7 kg;

• Alesaggio: 72 mm;

• Corsa: 72 mm;

• Potenza massima: 102 HP;

• 3

Cilindrata totale: 293 cm

• Velocità angolare massima: 11000 RPM.

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Analisi strutturale dei componenti più sollecitati

Avendo pressioni e temperature molto elevate, è necessario andare ad effettuare l’analisi termica e

strutturale di alcuni componenti del motore, come il manovellismo albero motore-biella e il pistone.

Nel caso del pistone, essendo il componente a diretto contatto con la miscela che prende parte alla

combustione, è stata effettuata sia un’analisi termica, sia una strutturale. Per l’albero motore e la

biella, invece, sono state sufficienti le analisi strutturali, dato che le temperature assorbite da tali

componenti non sono mai estremamente elevate.

Analisi termica del pistone

Per quanto riguarda l’analisi termica si è partiti andando a dividere la faccia superiore del pistone in

3 differenti sezioni, in cui sono state inserite 3 differenti temperature, tenendo conto che nella zona

centrale, la temperatura sarà maggiore, mentre, a mano a mano che ci si sposta verso l