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DOSSIER
INDUSTRIA AUTOMOTIVE
progettare
399
GIUGNO
/
LUGLIO
2016
I progettisti di motori vengono conti-
nuamente spinti a creare motori più
efficienti per ridurre le emissioni e i
consumi. Per realizzare questi obiet-
tivi di progettazione, si propende a
progettare motori di dimensioni in-
feriori con rapporti di compressione
più elevati, al fine di incrementare
la potenza erogata. L’incremento
della potenza erogata, a sua volta,
aumenta le esigenze di gestione
termica; a loro volta, elevati carichi
termici generano stress termici che
potrebbero compromettere il fun-
zionamento o la durata del motore.
Oltre a dover soddisfare nuove e ri-
gorose normative, gli ingegneri de-
vono lavorare con cicli di sviluppo
abbreviati allo scopo di introdurre
in tempi più ristretti sul mercato
prodotti di qualità superiore.
I motori a scoppio generano calore
originato dalla combustione dall’at-
trito delle parti mobili del motore.
Una fase essenziale dello sviluppo
del progetto è come dissipare que-
sto calore. L’efficienza dei motori a
scoppio è di gran lunga minore in
condizioni di avviamento a freddo,
piuttosto che con le temperature di
esercizio in stato costante: un obiet-
tivo importante dello sviluppo dei
motori è pertanto la riduzione delle
dispersioni di energia assicurando
che i sistemi e i componenti rag-
giungano il loro intervallo d tempe-
ratura di esercizio il più rapidamente
possibile.
Metodi tradizionali e moderni
Tradizionalmente, la previsione
della dispersione del calore veniva
effettuata usando prototipi fisici e
appositi banchi di prova di disper-
sione termica. Il problema è che una
volta costruito un prototipo, risulta
costoso apportare modifiche e otti-
mizzare la progettazione del motore.
Idealmente, i problemi di dispersio-
ne del calore devono però essere
identificati nelle fasi iniziali del ciclo
misura definita Pressione effettiva
media indicata (Pemi) e un’altra det-
ta Pressione effettiva media al freno
(Pemf) che rappresenta la coppia
a livello del volano. Le due misu-
re vengono utilizzate per ricavare
l’attrito per l’intero motore, detto
Pressione effettiva media di attrito
(Pema). Un fattore che contribuisce
alla complessità e al costo è la ne-
cessità di applicare al motore una
testata dei cilindri espressamente
realizzata mediante colata e dotata
di strumentazione per ottenere que-
ste misurazioni.
Anche il motore prototipo è attrez-
zato con sensori di temperatura
(termocoppie) per monitorare le
temperature del motore. Ciò è im-
portante al fine di non danneggiare
il motore durante il funzionamento
sul banco di prova. Un ulteriore
problema è costituito dallo speciale
banco di prova necessario: la prova
di dispersione del calore richiede
infatti che il banco sia munito di
apparecchi di condizionamento per
l’olio motore e per il refrigerante,
di progettazione. Un nuovo meto-
do per prevedere la dispersione del
calore usando test virtuali basati su
software, supportati da dati acquisiti
mediante test reali, è stato messo a
punto da InDesA (Integrated Design
Analysis). InDesA è un’azienda di
Monaco di Baviera specializzata in
servizi di consulenza ingegneristici,
in particolare nella simulazione e
analisi di flussi complessi e sistemi
di scambio termico. L’approccio di
InDesA è basato su un dettagliato
modello di motore Star-CCM+ in-
corporato in un ambiente di vano
motore virtuale. Le temperature di
combustione e di scarico sono de-
rivate da una simulazione del pro-
cesso del motore, mentre il calore
generato dall’attrito viene misurato
in test reali.
Il metodo convenzionale per misu-
rare la dispersione del calore con-
siste nell’utilizzare un prototipo di
motore reale nelle prime fasi di
sviluppo. Per cominciare, il motore
è attrezzato con manometri nella
testata dei cilindri. Ciò fornisce una
Un prototipo di motore reale nelle prime fasi di sviluppo.
FOTO CONCESSIONE BMW