Riassunto analitico
Il presente lavoro nasce dalla collaborazione con EMAK Spa, una società che opera nel settore del gardening, ed in particolare nella produzione di motoseghe, decespugliatori, troncatori ecc. Tale azienda opera in un mercato caratterizzato da specifiche caratteristiche di progettazione, dovute sia alle dimensioni del motore sia alla tipologia di applicazione (piccole cilindrate, ciclo di due tempi per garantire leggerezza e prestazioni); in un ambiente pieno di concorrenza e in uno scenario a prezzi ridotti, il budget per la ricerca e lo sviluppo viene via via ridotto. Nonostante questi vincoli, le prestazioni del motore sono state sensibilmente migliorate negli ultimi decenni, come dimostrato dal notevole aumento della potenza specifica e dalla riduzione delle emissioni inquinanti. In questi campi l'approccio di progettazione è prettamente empirico, perciò basato sulla prototipazione diretta e sul test dei componenti, quindi sull'ottimizzazione della progettazione attraverso approssimazioni passo-passo. L'uso di strumenti numerici caratterizzati da un elevato grado di dettaglio, come i codici di simulazione fluidodinamica 1D (GT-POWER) e 3D (STAR-CCM +, STAR-CD, CONVERGE-Lite), potrebbero permettere all'azienda di creare un processo di design basato sullo studio a priori, ad esempio, dei dettagli geometrici sulle caratteristiche fluidodinamiche (perdite di pressione, riempimento di cilindri, intrappolamento, effetti ram, ecc.). I principali vantaggi di tali strumenti (Computational Fluid Dynamics Tools) sono legati a:
• riduzione del tempo e dei costi di sviluppo, dovuta alla massiccia riduzione della prototipazione; • aumento della conoscenza e della comprensione dei molti processi fisici e chimici, alcuni dei quali difficili da comprendere attraverso la sperimentazione;
Ovviamente, non si prevede che la simulazione numerica sostituisca gli esperimenti, ma i due devono integrarsi a vicenda contribuendo alla riduzione del numero di prototipi necessari per ottenere una geometria ottimizzata a partire da zero o il numero di possibili modifiche a una geometria esistente. In questo lavoro ai è cercato di modellare un motore completo a due tempi utilizzando una combinazione di nuove tecniche di meshatura (es. Overset Mesh e Morphing), per ridurre il “time to solution”, per migliorare i fenomeni fisici non considerati fino ad ora, tra i quali, il movimento della biella e, la possibilità di effettuare un processo di ottimizzazione un ambiente integrato. In particolare è utilizzato il software STAR-CCM+ per modellare diversi tipi di motore a due tempi, compresi tra 25 e 70 cc. Per la validazione dei risultati di questo lavoro sono stati effettuati diversi confronti tra la nuova metodologia ed i risultati derivanti dalle metodologie utilizzate fino ad ora.
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Abstract
The present work has been performed in collaboration with EMAK S.p.a, a company manufacturing gardening machineries such as chain saws, trimmers, cutters gas saws etc.. The company operates in a market sector that is characterized by specific design features, due both to the size of the engines and to the type of application (small cylinders, two stroke cycle to ensure lightness and performance); in a fully competitive environment and in a low-cost scenario, the research and development budget is gradually reduced. Despite such constraint, engine performance has been significantly improved in recent decades, as evidenced by the remarkable increase in specific power and simultaneous reduction of polluting emissions.
In these fields the design approach is often purely empirical, i.e. based on direct prototyping and component testing; design optimization is performed through step by step approximations.
The use of numerical tools characterized by a high degree of detail, such as 1D (GT-POWER) and 3D (STAR-CCM +, STAR-CD, CONVERGE-Lite) computational fluid-dynamics (CFD) codes may allow the company to create a design process based on a-priori influence studies to address the impact of geometric details on the fluid-dynamic characteristics of the engine (pressure losses, filling of cylinders, entrapment, ram effects, etc.).
The main advantages of such tools are related to:
• Reduced time and cost of development due to the massive reduction in prototyping;
• Increased knowledge and understanding of the many physical and chemical processes, some of which are difficult to understand through experimentation;
Obviously, numerical simulation is not expected to completely replace experiments, but the two realms must integrate each other, helping to reduce the number of prototypes needed to obtain an optimized geometry from zero or the number of possible changes to an existing geometry.
In this work a model of a full two-stroke engine has been generated using a combination of new meshing techniques (eg. overlapping grids and morphing) to reduce time to solution and to improve physical representation of the engine operation (eg. inclusion of crankshaft and connecting rod), advanced CFD models and approaches (coupled simulations) and fully-automatic optimization tools, all operating into a single integrated environment. In particular, the 3D-CFD code STAR-CCM+ software has been used as a leading tool to model different types of two-stroke engines, ranging from 25 to 70 cc. For the validation of the results of this work, several comparisons have been made between the new methodology and the currently adopted practice.
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