Università degli studi di Bologna - Facoltà di Ingegneria - A.A. 2005/2006
ANALISI TERMODINAMICA DI UNA
TESTATA PER MOTO DA SUPERBIKE
Candidato: Marco Romani
Relatore:
Prof. Ing. Luca Piancastelli
Correlatori: Prof. Ing. Gianni Caligiana
Prof. Ing. Alfredo Liverani
Dott. Ing. Stefano Cassani
Dott. Ing. Daniele Marozzi
OBIETTIVI DELLA TESI
 Sviluppare un modello che permetta di prevedere con
buona approssimazione il campo di temperatura e le
sollecitazioni strutturali a cui è sottoposta una testata
 Valutare le potenzialità del modello confrontando i
risultati ottenuti con rilevamenti sperimentali
 Analizzare le zone di contatto ponendo particolare
attenzione alla pressione di contatto nella guarnizione
di testa
DUCATI 999
BIPOSTO
Caratteristiche motore:
 Bicilindrico ad L
 998 cc
 Distribuzione desmodromica
 4 valvole per cilindro
 Raffreddamento a liquido
 Pmax = 124 CV a 9750 rpm
VERIFICHE
TERMICHE:
 Congruenza con i rilevamenti forniti
da Ducati
 Temperature in camera di combustione
 Temperature lato acqua
STRUTTURALI:
 Tensioni
 Deformazioni
 Pressione di contatto nella
guarnizione di testa
considero anche il cilindro
Testata
Combustione
Sede valvola d’aspirazione
Sede valvola di scarico
Olio
Condotto d’aspirazione
Condotto di scarico
Refrigerante
Carichi d’assemblaggio
1. Forza di serraggio esercitata dai prigionieri
2. Accoppiamenti per interferenza:
sedi valvole - testa
guide valvole - testa
Carichi di funzionamento
1. Pressione max sulla superficie della camera di combustione
2. Pressione max di contatto tra valvola e sede valvola
Modello monodimensionale di scambio
termico in camera di combustione
Regime di POTENZA MASSIMA (9750 rpm)
1. Woschni
Modelli utilizzati
2. Bocchi
3. Annand
720
1
hgas ,med =
hgas ( α ) dα
∫
720 0
720
1
Tgas ,med =
hgas ( α
∫
720 hgas ,med 0
679 W/(m² K)
)
Tgas ( α
)
dα
1099 °C
Distribuzione spaziale del coefficiente
di scambio termico
 Suddivisione in 6 corone circolari
centrate con l’asse della candela
 Distribuzione parabolica dei
coefficienti di scambio termico
hgas (r ) = hgas,max
2


 1 − 0.5  r  
R  

 0 

Scambi termici nel cilindro
1. Scambio termico gas - parete
2. Potenza dissipata per attrito
Wd = f Fn u
3. Scambio termico pistone - cilindro
Condotti di aspirazione e di scarico
Coefficiente di scambio termico
per convezione forzata
Regime turbolento
(Formula di Sieder & Tate)
Nu = 0,027 Re
0 ,8
Pr
0 , 33
µg


µ 
 p
0.14
Refrigerante
Refrigerante: miscela acqua – glicoletilene (40%)
Pressione refrigerante = 1.26 bar (a 9750 rpm)
Scambi di calore per:
• Convezione Forzata (Dittus-Boelter)
• Ebollizione Nucleata
- Chen
- Mc. Adams
• Condizione di Flusso Critico (Zuber)
Chen
Mc. Adams
media
Condizionano lo scambio termico:
Condizionano la convezione forzata:
 Temperatura di parete
 Velocità
 Proprietà del fluido
 Diametro idraulico
 Finitura superficiale
 Depositi
ΛNSYS WorkBench 10.0
Modello FEM
Carichi applicati:
Assemblaggio + Termici + Pressione
Piano di simmetria
Materiali:
• caratteristiche di comportamento
bilineare in funzione della temperatura
per testa, cilindro, sedi, guide,
prigionieri
• guarnizione di testa:
caratteristiche di comportamento non
lineare per le linee di tenuta valutate
dalle curve pressione-schiacciamento
Verifiche termiche
1) CAMPO DELLE TEMPERATURE
2) CONFRONTO TRA LE TEMPERATURE OTTENUTE DAL
MODELLO E QUELLE RILEVATE DALLA DUCATI
2
1
3
PUNTI
CONSIDERATI
ΔT
SCARTO
%
1
+8 °C
+6.3%
2
-3 °C
-1.7%
3
+3 °C
+2.4%
MEDIA
+ 2.3%
3) POTENZA ASPORTATA DAL REFRIGERANTE (W)
RILEVAZIONE
SPERIMENTALE
MODELLO
TEORICO
SCARTO
%
14618
14547
-0.5%
4) ZONE DELLA TESTA CON TEMPERATURE PIU’ ELEVATE
Nelle zone più calde della testa non si devono raggiungere temperature
troppo elevate per evitare uno scadimento delle caratteristiche del materiale.
GK-AlSi10Mg(Cu) DIN 1725
La temperatura massima fornita dal modello è 226°C
Sollecitazioni equivalenti
• Le parti più sollecitate della testa sono le zone di accoppiamento con
- sedi valvole
- guide valvole
- prigionieri
• I componenti più sollecitati sono le sedi valvole
GUARNIZIONE TESTA
Linee di tenuta definite a rigidezza crescente
MODELLO SEMPLIFICATO
• Sostituzione della testa e del cilindro con
due parallelepipedi
• Parallelepipedi realizzati con gli stessi
materiali della testa e del cilindro
• Comportamento delle linee di tenuta
della guarnizione valutato dal
diagramma pressione-schiacciamento
• Carichi: serraggio dei prigionieri
• Contatto con attrito
RETICOLATURA DELLA GUARNIZIONE
PRESSIONE DI CONTATTO
PRESSIONE DI CONTATTO
Ingrandimento di una porzione dello STOPPER
Conclusioni
 Il campo di temperature ottenuto e la simulazione
tensionale del gruppo testa-cilindro forniscono
buoni risultati
 La valutazione della pressione di contatto nella
guarnizione di testa, viste le semplificazioni
introdotte, risulta approssimata e utilizzabile
quindi per comparazione più che per valore
assoluto