Riassunto analitico
La tendenza degli ultimi anni nella progettazione motoristica è quella di creare propulsori sempre più prestazionali, compatti e leggeri. Questi obiettivi possono essere raggiunti tramite l’ottimizzazione del comportamento fluidodinamico del motore, l’iniezione diretta del combustibile in camera, l’aumento del numero di giri, l’utilizzo di materiali leggeri e superleghe. Ciò richiede anche un’estremizzazione delle geometrie, degli spessori dei componenti, nonché dei volumi a disposizione per il passaggio dei fluidi rendendo necessaria la messa a punto di metodologie di calcolo approfondite capaci di analizzare l’insorgere di fenomenologie inaspettate all’interno del motore.
Il seguente lavoro si propone di andare ad indagare l’effetto dei moti secondari del pistone sulla deformazione radiale della canna attraverso un’analisi di tipo dinamico. A causa dei giochi presenti tra pistone e canna infatti, ogni qualvolta il pistone inverte il suo moto, le forze laterali crescono di intensità e saranno maggiori di quelle che si avrebbero in un caso statico. Ciò provoca deformazioni radiali della canna cilindro superiori al caso statico e conseguente variazione del volume a disposizione per il passaggio del fluido refrigerante che potrebbe trovarsi in condizioni di pressione e temperatura tali da far innescare il fenomeno della cavitazione con successiva possibile erosione di materiale.
Questo fenomeno è tipico dei motori in cui la canna cilindro è riportata, cioè non integrata nel basamento, ma inserita all’interno del basamento e lambita direttamente dal fluido refrigerante.
Il gioco presente tra pistone e canna e tra canna e basamento fa sì che le spinte laterali del pistone, dovute al suo moto secondario, si trasformino in vibrazioni ad alta frequenza della parete esterna della canna. Le vibrazioni della parete della canna sono proprio una delle cause a cui è imputabile il fenomeno della cavitazione nello strato di fluido adiacente alla parete. Esse generano movimento del fluido tra canna e basamento per effetto del moto della parete esterna della canna che inizialmente muove verso il fluido e successivamente torna indietro. A seguito di questo movimento, poiché il fluido non riesce ad assecondare il moto della canna, vengono a formarsi delle piccole bolle di vapore quando la superficie esterna della canna, dopo aver inizialmente compresso il fluido, muove indietro. Successivamente, quando la canna inverte il suo moto spostandosi nuovamente verso l’esterno in direzione radiale si ha un’implosione rapida delle bolle. Il fenomeno è molto rapido e fa sì che si generino elevate forze su piccole superfici che ne causano l’erosione con la formazione di piccoli fori.
La metodologia seguita per affrontare questo lavoro ha visto inizialmente la realizzazione di analisi termiche per definire il campo termico di funzionamento dei vari componenti all’interno del motore.
Successivamente si è passato alla simulazione di analisti termo-strutturali quasi statiche per comprendere quale fossero le deformazioni dovute alle spinte laterali in gioco e quelle dovute al serraggio dei vari componenti. Parallelamente si sono affrontate analisi strutturali per valutare l’effetto degli anelli di tenuta sulla deformazione della canna cilindro per verificare se questi avessero un effetto sulla deformazione della stessa accentuando il fenomeno.
Infine son state effettuate analisi dinamiche per considerare l’intensificarsi delle forze laterali con conseguente incremento della deformazione radiale della canna.
I risultati ottenuti i termini di deformazioni radiali della canna potranno in prima istanza essere confrontati con le ipotesi fatte per realizzare le analisi CFD, effettuate in altra sede, relative all’insorgere del fenomeno in questione, inoltre potranno essere utilizzati come spunto da cui partire per il settaggio di analisi più dettagliate.
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