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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



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



• 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



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



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



Rapporto caratteristico del pistone: Htot/D Confronto

F1 1990 F1 2005



IL CIELO



IL CIELO

01 02 03

04 05 06



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)




Competizione - Un solo segmento - Un raschiaolio

Benzina di serie - Due segmenti - Un raschiaolio

Diesel di serie - Due segmenti (almeno) - Un raschiaolio (almeno)




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.




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.



LA CORONA E GLI ANELLI ELASTICI I SEGMENTO

Possibili profili



LA CORONA E GLI ANELLI ELASTICI II SEGMENTO

Possibili profili



LA CORONA E GLI ANELLI ELASTICI IL RASCHIAOLIO

Three-pieces oil ring

Two-pieces oil ring



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.



Gradiente 120 – 180 °C

IL MANTELLO

Distribuzione del campo termico



IL MANTELLO

Distribuzione del campo termico



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.



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.



IL MANTELLO

Il profilo del mantello

Profilo a botte del mantello e trapezoidale della corona Profilo ovale di mantello e corona



IL MANTELLO

Il profilo del mantello

Profilo a botte del mantello

Profilo trapezoidale della corona

Profilo ovale di mantello e corona



PORTATE Ls/D =0.8 Ls/D = 0.6 Ls/D = 0.4

Standard pistons Standard/Box-n-box pistons Box-n-box pistons



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.



CARICHI

Meccanici Termici

Ftot

Fb

F



CARICHI

Meccanici

Valutazione dei carichi legati all’espansione dei gas e alla forza inerziali.



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



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).



CARICHI

Termici

100 %

30%

20%

50%



CARICHI

Coefficienti di sicurezza



MATERIALI E TECNOLOGIE DI PRODUZIONE

Alluminio



MATERIALI E TECNOLOGIE DI PRODUZIONE

Acciaio

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