Riassunto analitico
Le Power Unit (PU) equipaggiate sulle vetture di F1 attuali rappresentano il pinnacolo del design ingegneristico. Grazie a valori di efficienza superiori al 50%, queste macchine rappresentano la perfetta simbiosi fra complessità ed innovazione. Nonostante queste eccezionali caratteristiche, lo sviluppo delle PU F1 è tutt'altro che concluso, causa i cambiamenti radicali che i regolamenti 2026 causeranno. In quest'ottica, per ottenere la performance e l'affidabilità desiderate è assolutamente necessario comprendere appieno le interazioni fra componenti.
Fra i componenti più importanti di un powertrain di F1 vi sono sicuramente le valvole di aspirazione e scarico. Il loro funzionamento influenza fortemente l'efficienza volumetrica del motore, il che rende il design di tali componenti fondamentale per ottenere un bilancio fra performance e affidabilità. Per questi motivi, in genere si tende ad adottare modelli numerici al fine di ottimizzare il design delle valvole per spingerlo fino al limite. Tuttavia, allo stato dell'arte attuale tali modelli sono spesso incapaci di cogliere la natura complessa delle interazioni fra carichi e componenti.
Questo lavoro di tesi mira a colmare questo vuoto sviluppando una metodologia apposita ed atta ad analizzare la dinamica delle valvole quando eccitate dall'alzata e dal momento di apertura. Questo approccio fornisce un'analisi dettagliata di come i contenuti armonici delle forzanti possano interagire ed eccitare alcuni particolari modi della valvola, eventualmente fino a causare chiusure anomale. A questo scopo, si introduce inizialmente un'analisi spettro-modale per identificare le condizioni di esercizio più drastiche. Una volta definite, esse vengono simulate con un modello dinamico transient agli elementi finiti per analizzare la dinamica della valvola durante l'alzata.
La metodologia così sviluppata viene poi applicata ad un caso pratico, in cui una valvola di aspirazione di un motore di F1 ha ceduto. Dalle analisi, si evince che la rottura sia dovuta ad una chiusura anomala, probabilmente dovuta proprio ad una risonanza.
I risultati di questo lavoro di tesi hanno un forte impatto su quello che è il design di valvole per motori a combustione interna, costituendo così un passo in avanti verso una migliore comprensione della dinamica assai complessa di tali componenti.
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Abstract
Current Formula 1 Power Units represent the pinnacle of engineering design. With brake thermal efficiencies above 50%, these machines perfectly couple complexity and innovation. Despite their astonishing characteristics, F1 PU development is yet to be over as 2026 regulations will radically change their architecture. Within this scenario, achieving the desired performance and reliability strongly depends on a thorough understanding of the interactions between components.
Among the most critical components of a Formula 1 powertrain, intake and exhaust valves clearly stand out. Their operations strictly influence the engine’s volumetric efficiency, making their design a paramount to balance performance and reliability. For these reasons, numerical models are adopted to optimize valves design to the limit. Though, at the current state-of-the-art they often fail to capture the complex interactions between all the loads and components involved.
The present work addresses this shortcoming by developing a dedicated methodology to investigate valve dynamics under the action of lift and opening moment. Such approach offers a detailed insight on how the harmonics of the forcings might trigger specific modes of the valve, possibly causing abnormal closures. To do that, a coupled spectral-modal analysis procedure is firstly introduced to identify the most critical operating conditions. For these, an innovative dynamic transient FE model is realized to accurately analyse valve’s dynamic behaviour during lift.
The developed methodology is then applied to a specific case study of an intake valve failure in a Formula 1 engine. The results of the analysis suggest that the failure was indeed due to an abnormal closing event, possibly caused by resonance.
The findings of this thesis have significant implications for the design of ICE valves, providing a step forward towards the understanding of their complex dynamics.
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