La Motostudent
Negli ultimi anni ha preso piede una categoria, insieme all’equivalente per monoposto (la Formula SAE) delle motociclette da corsa realizzate dagli studenti delle Università. il sito web ufficiale di questa categoria è questo: MotoStudent | Home.
il motore unico per tutte le moto è quello della KTM RC250, riportato in foto, un motore monocilindrico 250 cc di cilindrata.
Il Regolamento consente la progettazione libera del telaio, del sistema di raffreddamento del motore e dei sistemi di aspirazione e scarico; non consente la modifica delle restanti parti del motore.
Lo studio che viene fatto in questo articolo è proprio l’ottimizzazione dei sistemi di aspirazione e scarico, utilizzando un modello di simulazione di un motore a combustione interna e di un codice di ottimizzazione per la ricerca dell’ottimo in termini di potenza.
L’Ottimizzazione
Un motore, anche se monocilindrico ha innumerevoli variabili che, modificate, possono modificare la curva di potenza, o di consumo o di emissioni ecc. Per prima cosa bisognerà stabilire quale è l’output di una ottimizzazione e successivamente si sceglieranno le variabili da modificare per raggiungere l’obiettivo prefissato. la metodologia utilizzata per la ricerca dell’ottimo è quella riportata nel paper SAE 2002-01-0002.
L’output può essere ad esempio la potenza massima, in un solo rpm oppure lungo una parte del range di utilizzo del motore oppure su tutto l’arco di utilizzo, ma può essere anche la coppia, la pressione media effettiva oppure il consumo specifico, il rendimento ecc.
In questo articolo l’output sarà la potenza massima (si tratta di un motore utilizzato per competizione), ma sarà il suo valore medio su un arco ben definito di utilizzo.
Gli input invece saranno le lunghezze e i diametri dei condotti di aspirazione e scarico, che saranno variati per raggiungere il massimo valore di potenza. essendo numerosissime possibili configurazioni dei condotti, se ne testeranno solo 2 tipologie:
- condotti di aspirazione e scarico dritti, con diametro di 38 mm; le variabili sono 2: la lunghezza dei condotti
- dopo la prima ottimizzazione, la seconda sarà l’ottimizzazione di uno scarico con un terminale a cono divergente. qui le variabili sono 3.
Condotti dritti
Nel primo caso, ipotizzando che i condotti possano essere a sezione costante di 38 mm di diametro, si faranno 3 tipi di ottimizzazione:
- la prima , di tipo ideale/teorica, in cui si va a trovare l’accoppiata lunghezza aspirazione/scarico per ogni numero di giri
- la seconda, in cui il motore viene ottimizzato per tutto l’arco di utilizzo; (range 5000-11000). questo viene fatto massimizzando la potenza media in quel range di utilizzo.
- la terza, in cui il motore viene ottimizzato per la potenza massima; (range 9000-11000).
In questo tipo di ottimizzazione, si va a cercare la coppia di valori di lunghezze di aspirazione e scarico per ogni numero di giri, come nella tabella 1 e figura 2.
| Rpm | Aspirazione teorica m | Scarico teorico m |
| 5000 | 0.3224 | 1.093 |
| 6000 | 0.32 | 0.893 |
| 7000 | 0.3462 | 1.1264 |
| 8000 | 0.3835 | 1.12 |
| 9000 | 0.341 | 0.986 |
| 10000 | 0.3 | 0.873 |
| 11000 | 0.267 | 0.771 |
Si nota che le lunghezze teoriche hanno un andamento decrescente con il numero di giri (rpm più alto–> condotto più corto) a partire da 8000 Rpm, mentre si inverte scendendo di Rpm. nella figura 2 si riportano anche i valori (costanti) per una ottimizzazione per la potenza “5000-11000” e “9000-11000”.
In figura 3 invece ci sono le curve di potenza per le 3 strategie di ottimizzazione: la prima teorica, non realizzabile a meno di non realizzare un sistema dinamico di variazione della lunghezza dei condotti in tempo reale, e le altre due con condotti fissi e due ottimi in funzione di due range di Rpm differenti.
Ovviamente la “teorica” è la migliore possibile e ha una potenza media su tutto l’arco di utilizzo di 24.99 kW, la versione ottima tra 5000-11000 ha 24.05 kW mentre quella tra 9000-11000 è di 23.96 kW. L’ottimizzazione tra 9000 e 11000 ha una potenza media su tutto l’arco inferiore, ma nel range 9000-11000 è migliore anche se di poco (29.04 kw contro 28.97 kw).
Scarico divergente
La seconda ottimizzazione viene fatta modificando il sistema di scarico rendendolo a forma di cono. il condotto di aspirazione rimane a sezione costante e calcolata precedentemente.
Questa forma ha il vantaggio, in fase di scarico, di inviare una onda di depressione verso il cilindro, aiutando l’evacuazione del gas. per poter realizzare questo tipo di scarico, le incognite sono 3, 2 lunghezze e il diametro finale dello scarico. l’ottimizzazione quindi sarà fatta (solo nel range 5000-11000 rpm) massimizzando la potenza con 3 gradi di libertà.
Dopo il processo di ottimizzazione, le lunghezze ottenute sono:
- X1=618 mm;
- X2=768 mm;
- X3=64.25 mm
Le curve di potenza sono riportate in figura 5: l’aumento di potenza , soprattutto agli alti regimi è considerevole, si tratta di circa 2 kW in più senza perdita di potenza negli altri regimi (a parte il regime 5000 rpm , comunque poco utilizzato).
Si dimostra quindi l’utilità di sviluppare codici di ottimizzazione e di applicarli in questo caso alla progettazione dei condotti di aspirazione e scarico.
questo articolo è un semplice resoconto di come si possa procedere per dimensionare i principali componenti di un sistema; tutta via in questo caso non si è tenuto in considerazione di altre configurazioni che non siano quelle più semplici:
- Soluzioni più complesse, che possono essere condotti divergenti con un andamento diverso da quello lineare;
- ottimizzazione del sistema di aspirazione, variando anche i diametri, non modificati in questo breve articolo. si tenga presente però che ad un aumento del diametro di aspirazione corrisponde quasi sicuramente un aumento della potenza ai regimi più alti, ma anche una diminuzione alle potenze più basse, per cui bisognerà variare anche la lunghezza del condotto. tuttavia, se l’obiettivo è la ricerca di potenza ai più alti regimi allora è la scelta da prendere in considerazione.
