SIMULAZIONE FLUIDODINAMICA DEI SISTEMI DI .fluidodinamica interna al motore sia il suo funzionamento

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POLITECNICO DI MILANO

Facolt di Ingegneria Industriale

Dipartimento di Energia

Corso di Laurea Magistrale in Ingegneria Meccanica

SIMULAZIONE FLUIDODINAMICA DEI

SISTEMI DI ASPIRAZIONE E SCARICO DI

UN MOTORE 4T MONOCILINDRICO PER

IMPIEGO MOTOCICLISTICO

Relatore: Prof. Angelo Onorati

Correlatore: Ing. Tarcisio Cerri

Tutor aziendale: Ing. Matteo Cucchi

Ing. Marcello Gatti

Ing. Pietro Antonio Speroni

Tesi di laurea di:

Alessandro PANTANO matr. 820080

Anno Accademico 2014/2015

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Ringraziamenti Ringrazio i miei genitori, i miei fratelli e la mia fidanzata per avermi sostenuto

durante questi anni di studi sia nei momenti belli sia in quelli pi difficili.

Grazie al Prof. Giancarlo Ferrari per avermi fatto appassionare ancora di pi ai

motori a combustione interna.

Grazie al Prof. Angelo Onorati per avermi offerto questo lavoro di tesi.

Grazie allIng. Tarcisio Cerri per avermi seguito e guidato nello sviluppo del

progetto di tesi, rendendosi sempre disponibile per qualsiasi bisogno e

chiarimento.

Un grazie anche agli amici e a tutti coloro che pure senza saperlo hanno reso meno

difficile e pi piacevole questo percorso di studi.

Alessandro

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Indice

Introduzione ...................................................................................................... 15

1 Il motore a combustione interna .................................................................. 17

1.1 Classificazione dei motori ..................................................................... 18

1.2 Campi di impiego .................................................................................. 19

1.2.1 Motori Otto e Diesel .................................................................... 19

1.2.2 Motori a due tempi e a quattro tempi .......................................... 20

1.3 Parametri caratteristici .......................................................................... 22

1.3.1 Schema costruttivo ...................................................................... 22

1.3.2 Grandezze cinematiche e geometriche ........................................ 23

1.3.3 Funzionamento del motore a quattro tempi ................................ 24

1.4 Cicli e diagrammi di lavoro ................................................................... 26

1.4.1 Ciclo ideale .................................................................................. 26

1.4.2 Ciclo indicato .............................................................................. 26

1.4.3 Ciclo effettivo .............................................................................. 28

1.4.4 Diagramma pressioni ............................................................. 29

1.5 Prestazioni di un motore ........................................................................ 31

1.5.1 Coefficiente di riempimento ....................................................... 31

1.5.2 Consumo specifico di combustibile ............................................ 32

1.5.3 Curve caratteristiche .................................................................... 34

1.5.4 Parametri che influenzano le prestazioni .................................... 35

2 Alimentazione aria nel motore ..................................................................... 39

2.1 Analisi semplificata del processo di alimentazione aria nei motori a

quattro tempi ...................................................................................................... 40

2.2 Condizioni di flusso attraverso le valvole ............................................. 42

2.2.1 Sezione di passaggio e coefficiente di efflusso ........................... 43

2.2.2 Alzata massima e diametro della valvola .................................... 44

2.2.3 Geometria del gruppo condotto-valvola ...................................... 47

6

2.3 Distribuzione ......................................................................................... 48

2.3.1 Diagramma della distribuzione ................................................... 48

2.3.2 Permeabilit della valvola ........................................................... 50

2.3.3 Azionamento variabile delle valvole ........................................... 51

2.4 Effetti di alcuni parametri motoristici ................................................... 53

3 Sistemi di aspirazione e di scarico ............................................................... 55

3.1 Condizioni di moto dei fluidi ................................................................ 56

3.2 Effetti dinamici in un motore a quattro tempi ....................................... 57

3.2.1 Effetto inerziale ........................................................................... 57

3.2.2 Effetti donda .............................................................................. 59

3.3 Collettori di aspirazione e di scarico ..................................................... 61

3.4 Modelli numerici per il calcolo dei flussi ............................................. 61

3.5 Curve di riempimento e di pressione .................................................... 64

3.5.1 Analisi delle curve di riempimento ............................................. 64

3.5.2 Analisi delle curve di pressione .................................................. 65

4 Software utilizzati .......................................................................................... 69

4.1 Gasdyn ................................................................................................... 69

4.1.1 Caratteristiche ............................................................................. 69

4.1.2 Implementazione grafica ed esecuzione ...................................... 70

4.2 Microsoft Excel ..................................................................................... 72

4.2.1 Caratteristiche ed implementazione ............................................ 72

4.3 Software CAD ....................................................................................... 73

5 Analisi del motore ......................................................................................... 75

5.1 Caratteristiche motore ........................................................................... 76

5.2 Implementazione in Gasdyn .................................................................. 77

5.3 Andamento dei risultati per il motore standard .................................... 84

5.3.1 Confronto tra il motore standard ed uno di pari cilindrata intonato

diversamente ...................................................................................................... 92

5.4 Andamento dei risultati per il motore modificato ................................. 94

7

5.5 Andamento dei risultati per il motore configurato come i datasheet 3D

.......................................................................................................................... 102

Conclusioni ...................................................................................................... 105

Bibliografia ..................................................................................................... 107

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Indice delle figure

Figura 1 - Motore a combustione interna ............................................................... 17

Figura 2 - Disegno costruttivo di un motore a ciclo Otto per autovettura con

indicati i componenti principali ........................................................... 22

Figura 3 - Fasi del motore a ciclo Otto .................................................................. 25

Figura 4 - Fasi di un motore a ciclo Diesel ............................................................ 25

Figura 5 - Ciclo Otto ideale nel diagramma p - V .................................................. 26

Figura 6 Ciclo Otto indicato nel diagramma p V in linea continua, il ciclo

ideale in linea tratteggiata.................................................................... 27

Figura 7 - Ciclo Otto reale nel diagramma p - V ................................................... 29

Figura 8 - Diagramma p - theta con indicate le varie fasi motore .......................... 29

Figura 9 - Diagramma del riempimento per un motore da autovettura sportivo ... 32

Figura 10 - Diagramma del consumo specifico di combustibile ............................ 33

Figura 11 - Curve di coppia e potenza per un motore automobilistico .................. 34