Riassunto analitico
In un veicolo stradale ad alte prestazioni dotato di motore a combustione interna, un sistema di aspirazione opportunamente dimensionato, oltre al compito fondamentale di fornire aria al motore, permette di ottenere un importante effetto secondario, la sovralimentazione dinamica o naturale: l’incremento del rendimento volumetrico attraverso l’aumento della portata d’aria inviata ai cilindri sfruttando i principi della fluidodinamica non stazionaria e la teoria delle onde, con conseguente incremento delle prestazioni. Tuttavia l’ottimizzazione risulta limitata ad un range di condizioni di funzionamento ristretto, motivo che spinge i costruttori a studiare meccanismi di variazione della geometria dei sistemi per ottenere curve di erogazione ottimizzate in un arco di condizioni più ampio. Lo scopo di questa tesi è riportare come si è svolta parte dell’attività di progettazione di un sistema di aspirazione a geometria variabile di tipo a trombette telescopiche da destinare ad una versione speciale di una vettura sportiva stradale attualmente in produzione. La possibilità di parteciparvi si è concretizzata presso HPE-COXA, azienda del comparto automotive Modenese fornitrice di servizi di progettazione, simulazione e prototipazione di componenti meccanici ad alcuni dei principali marchi della zona ed internazionali. La tipologia di sistema è stata imposta dal Cliente che ha commissionato il progetto, il compito assegnato è quello di realizzare uno studio di fattibilità per individuare il sistema di attuazione più idoneo a rispettare requisiti e vincoli fissati. Allo scopo, seguendo l’approccio progettuale sistematico, è stata realizzata una ricerca bibliografica per investigare le soluzioni esistenti ed individuare elementi comuni con il caso; successivamente sono stati realizzati diversi modelli di massima del sistema che implementano le potenziali soluzioni individuate. Le varianti considerate prevedono diverse geometrie dei componenti che compongono il cinematismo di movimentazione e tipologie di attuazione tra cui quella elettrica. Di ogni soluzione è stata stimata la realizzabilità in termini di posizionamento, ingombro, costo e caratteristiche produttive; per la valutazione delle caratteristiche dinamiche dei sistemi in rapporto ai requisiti e l’accoppiamento dei cinematismi con le caratteristiche meccaniche degli attuatori è stato implementato un modello parametrico di calcolo sotto forma di foglio elettronico, validato tramite il confronto con i risultati delle analisi dinamiche realizzate con un software CAD 3D. I risultati ottenuti sono stati comunicati al Cliente che ha provveduto alla scelta del layout definitivo del sistema. Il lavoro svolto si colloca all’interno dell’attività di progettazione complessiva del sistema di aspirazione da proseguire con il dettaglio dei componenti e la futura messa in produzione.
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Abstract
In a high performance road vehicle equipped with an internal combustion engine, a conveniently sized intake system, in addition to the crucial role of providing air to the engine, allows to obtain an important secondary effect, the dynamic or natural supercharging: an optimization of volumetric efficiency obtainable by increasing the air flow rate to the cylinders using the principles of non-stationary fluid dynamics and wave theory with a consequent increase in performance. This optimization however is limited to a narrow range of operating conditions, reason that drives manufacturers to study variable geometry systems to obtain optimized torque and power output in a wider range of engine speeds.
The purpose of this paper is to report part of the design process that led to the definition of a variable geometry intake system (variable length runners/trumpets type) to be fit into a special edition of a sports car currently in production.
The activity was carried out at HPE-COXA, a North Italian automotive branch company providing design, simulation and prototyping services to some of the leading brands in the region and worldwide.
The type of the system has been imposed by the Customer who committed the project, the assignment is to perform a design feasibility study to identify the most suitable system implementation to meet requirements and constraints set.
To achieve this goal, following the systematic design approach, a literature search was conducted to investigate existing solutions and identify common elements with the case; subsequently different preliminary layout models were designed to implement the potential solutions identified.
The considered variants include different geometries of the components composing the kinematic mechanism and actuation systems including an electrically driven one.
The feasibility in terms of positioning, space demand, cost and production characteristics of each solution was estimated. For the evaluation of the dynamic characteristics of the system in relation to the requirements and the coupling with the mechanical characteristics of the actuators, a parametric model of calculation has been implemented and validated by comparison with the results of dynamic analyses performed with a 3D CAD software.
The results have been forwarded to the Customer who could then choose the final layout of the system.
This work is part of the overall design process of the intake system, expected to proceed with the detailing and manufacturing of the components.
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