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Progettazione Strutturale del Motore
IL PISTONE
Docenti: Matteo Giacopini
Luca Nicolò Mastrandrea
Progettazione Strutturale del Motore: IL PISTONE
Docenti: Matteo Giacopini, Luca Nicolò Mastrandrea Modena 20/10/2015
Cielo Corona
Mantello Portate
Progettazione Strutturale del Motore: IL PISTONE
Docenti: Matteo Giacopini, Luca Nicolò Mastrandrea Modena 20/10/2015
Cielo Corona
Mantello Portate
• Cielo: raccoglie il lavoro fornito dall’espansione dei gas
• Corona: si occupa (attraverso gli anelli elastici che ospita) di garantire la tenuta isolando la camera di combustione
• Mantello: attraverso il contatto con la canna cilindro funge da guida al manovellismo e sostiene la spinta laterale
• Portate: ospitano lo spinotto
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Docenti: Matteo Giacopini, Luca Nicolò Mastrandrea Modena 20/10/2015
• D: alesaggio • Htot: altezza totale • Hcor: altezza corona • Hm: altezza mantello • Hcomp: altezza di compressione • De_s: diametro esterno spinotto • Sc: spessore del cielo • Sp: spessore radiale portate • H1: distanza prima fascia dal cielo • A: estensione assiale portate • C: distanza portate • Ls: lunghezza spinotto
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Rapporto caratteristico del pistone: Htot/D VALORI ATTUALI
Competizione Htot/D < 0,5
Benzina Htot/D = 0,8 - 1
Diesel Htot/D = 1 – 1,5
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Rapporto caratteristico del pistone: Htot/D VALORI TRADIZIONALI (ORMAI SUPERATI)
Competizione Htot/D = 0,5 - 1
Benzina Htot/D = 1 – 1,5
Diesel Htot/D = 1,5 – 2
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Rapporto caratteristico del pistone: Htot/D Confronto
F1 1990 F1 2005
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IL CIELO
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IL CIELO
01 02 03
04 05 06
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LA CORONA E GLI ANELLI ELASTICI
I Segmento
II Segmento
Raschiaolio
Competizione - Un solo segmento - Un raschiaolio
Benzina di serie - Due segmenti - Un raschiaolio
Diesel di serie - Due segmenti (almeno) - Un raschiaolio (almeno)
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LA CORONA E GLI ANELLI ELASTICI
Competizione - Un solo segmento - Un raschiaolio
Benzina di serie - Due segmenti - Un raschiaolio
Diesel di serie - Due segmenti (almeno) - Un raschiaolio (almeno)
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Docenti: Matteo Giacopini, Luca Nicolò Mastrandrea Modena 20/10/2015
LA CORONA E GLI ANELLI ELASTICI
Deformabilità e conformità degli anelli elastici
There are several reasons for the non-circularity of the cylinder bore. The cylinder liners are machined to a level of accuracy specified in terms of tolerances. The allowed difference between maximum and minimum diameter of the cylinder bore may be from 10 to 100 times the thickness of the oil film between piston rings and the liner. Therefore, the deviation from circularity within the manufacturing tolerances is likely to have a significant effect on the performance of the piston assembly. The zero and first-order bore distortions are a function of the size and location tolerances of the cylinder bore.
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LA CORONA E GLI ANELLI ELASTICI
Deformabilità e conformità degli anelli elastici
The assembling of the engine can cause deformations into the cylinder liner. An example of this is the tightening of the cylinder head bolts. A fourth-order distortion is usually the major component in a distorted cylinder bore of an engine, the tightening of the four cylinder head bolts of this engine being the reason. The clamping of the cylinder liner between the cylinder head and the support at the lower end of the liner in the engine block, results in an outward deformation of the cylinder liner ́s inner surface.
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LA CORONA E GLI ANELLI ELASTICI I SEGMENTO
Possibili profili
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LA CORONA E GLI ANELLI ELASTICI II SEGMENTO
Possibili profili
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LA CORONA E GLI ANELLI ELASTICI IL RASCHIAOLIO
Three-pieces oil ring
Two-pieces oil ring
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IL MANTELLO
Mantello completo Mantello «scaricato» Mantello «a pattini»
Mantello completo (profilo a 360°)
Mantello scaricato sui lati non di spinta
Mantello ridotto a due soli pattini sui lati di spinta
L’introduzione dei codici di calcolo numerico FEM e CFD ha portato ad una ottimizzazione del profilo del mantello, permettendo una drastica diminuzione della sua estensione sia circonferenziale sia assiale.
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Gradiente 120 – 180 °C
IL MANTELLO
Distribuzione del campo termico
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IL MANTELLO
Distribuzione del campo termico
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IL MANTELLO
Deformata termica (amplificata)
Il profilo del mantello (ed il pistone in generale) deve presentare una particolare conformazione a freddo in modo tale che a caldo la sua forma sia la più cilindrica possibile, o comunque si accoppi ottimamente con la superficie interna della canna cilindro.
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IL MANTELLO
Contatto mantello pistone / canna cilindro
Il profilo del mantello (ed il pistone in generale) deve presentare una particolare conformazione a freddo in modo tale che a caldo la sua forma sia la più cilindrica possibile, o comunque si accoppi ottimamente con la superficie interna della canna cilindro.
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IL MANTELLO
Il profilo del mantello
Profilo a botte del mantello e trapezoidale della corona Profilo ovale di mantello e corona
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IL MANTELLO
Il profilo del mantello
Profilo a botte del mantello
Profilo trapezoidale della corona
Profilo ovale di mantello e corona
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PORTATE Ls/D =0.8 Ls/D = 0.6 Ls/D = 0.4
Standard pistons Standard/Box-n-box pistons Box-n-box pistons
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PORTATE
Solo in presenza di elevati carichi meccanici e quando sono richiesti lunghi chilometraggi, all’interno delle portate del pistone può essere previsto il forzamento di una boccola antifrizione.
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CARICHI
Meccanici Termici
Ftot
Fb
F
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CARICHI
Meccanici
Valutazione dei carichi legati all’espansione dei gas e alla forza inerziali.
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CARICHI
Termici
Stima del calore entrante considerando la temperatura dei gas in camera di combustione e il coefficiente di scambio termico tra gas e pareti della camera.
Metodi analitici semplificati
Modello di Woschni
Calcoli CFD 1D o 3D
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CARICHI
Termici
Stima del calore uscente dalle altre superfici esterne del pistone.
Smaltimento del calore dalle fasce elastiche (soprattutto primo segmento) e dal mantello.
Calore asportato dalla nuvola d’olio presente nella parte inferiore del basamento con eventuale inserimento di getti d’olio specifici (in F1 quattro getti).
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CARICHI
Termici
100 %
30%
20%
50%
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CARICHI
Coefficienti di sicurezza
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MATERIALI E TECNOLOGIE DI PRODUZIONE
Alluminio
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MATERIALI E TECNOLOGIE DI PRODUZIONE
Alluminio
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MATERIALI E TECNOLOGIE DI PRODUZIONE
Acciaio
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MATERIALI E TECNOLOGIE DI PRODUZIONE
Acciaio
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MATERIALI E TECNOLOGIE DI PRODUZIONE
Acciaio
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