Metodologie di progettazione e calcolo per l'incremento del rendimento e l'ottimizzazione delle prestazioni tribologiche dei contatti striscianti in manovellismi di spinta dei motori a combustione interna

The evolution of the current car fleet towards low environmental impact vehicles, essential for compliance with the new European standards and the evolution of urban mobility, does not provide for an immediate and complete transition to full electric powertrains. In fact, the estimate of the main markets sees the increase of the adoption of electric propulsion systems and the proportional reduction in the use of traditional engines still conditioned by high production costs and slow replacement times of the vehicles in circulation. This imposes the need to continue, in this transition period, to develop researches to increase the efficiency of traditional engines. This thesis work aims to develop numerical techniques based on a combined Multibody/FEM strategy for the analysis and optimization of the sliding interfaces between the components of an internal combustion engine. In particular, a significant percentage of the dissipation due to friction is registered at the contact between the elements of the crank mechanism. In fact, the goal of this activity is the definition of design and manufacturing techniques that can ensure a significant increase in the mechanical efficiency of these interfaces. Since the beginning of the 20th century, a pertinent bibliography exists related to the study of the interactions located in the lower part of the crank mechanism; therefore, with this work it is decided to focus more on the upper part, studying three important contacts between components. The first interaction studied is the one between the piston and cylinder liner. Specifically, the secondary motions of the piston strongly influence its contact with the cylinder liner as they can considerably amplify the forces generated between these two components during engine operation. In particular, an analysis is carried out to evaluate these forces, the increase of which is responsible for the rise of friction losses between the two components. The second interaction considered is the one between the piston and the gudgeon pin. In particular, an optimization of the piston bosses profile is proposed with the aim of improving the tribological performance of this contract, which plays a crucial role in minimizing power losses and possible failure occurrences. The third and final interaction studied is the one between the gudgeon pin and the conrod small end. To improve the tribological behaviour of the contact, a study is carried out with the aim of adding a dedicated oil gallery, called gundrill, which could increase the quantity of lubricant that reaches the conrod small end, thus minimizing friction losses. Finally, the influence of a more aggressive combustion strategy, such as that of a hydrogen engine, on the forces that are exchanged in the three interfaces just mentioned is then analyzed. The analyses exposed in this work show results that can be used in order to define suitable methodologies capable of predicting the precise interaction between the components of the upper part of the crank mechanism during operation and therefore allow an optimization of the profiles and geometries of the bodies in contact. Furthermore, this study provides useful guidelines that engine designers can adopt in order to make optimal choices to minimise friction, maximise efficiency and consequently reduce emissions and consumption, with a significant impact from the point of view of the environmental sustainability of mobility.

L'evoluzione dell'attuale parco auto verso veicoli a basso impatto ambientale, indispensabili per il rispetto dei nuovi standard europei e per l'evoluzione della mobilità urbana, non prevede un passaggio immediato e completo ai propulsori completamente elettrici. Infatti, la stima dei principali mercati vede l'aumento dell'adozione di sistemi di propulsione elettrica e la proporzionale riduzione dell'uso di motori tradizionali ancora condizionati da alti costi di produzione e lenti tempi di sostituzione dei veicoli in circolazione. Ciò impone la necessità di continuare, in questo periodo di transizione, a sviluppare ricerche per aumentare l'efficienza dei motori tradizionali. Questo lavoro di tesi si propone di sviluppare tecniche numeriche basate su una strategia combinata Multibody/FEM per l'analisi e l'ottimizzazione delle interfacce tra i componenti di un motore a combustione interna. In particolare, una percentuale significativa della dissipazione per attrito si registra al contatto strisciante tra gli elementi del manovellismo. Infatti, l'obiettivo di questa attività è la definizione di tecniche di progettazione e fabbricazione che possano garantire un aumento significativo del rendimento meccanico di queste interfacce. Fin dagli inizi del '900 esiste una bibliografia pertinente relativa allo studio delle interazioni localizzate nella parte bassa del manovellismo; pertanto, con questo lavoro si decide di concentrarsi maggiormente sulla parte alta, studiando i tre importanti contatti tra componenti. La prima interazione studiata è quella tra pistone e canna cilindro. Nello specifico, i moti secondari del pistone influenzano fortemente il suo contatto con la canna cilindro in quanto possono amplificare notevolmente le forze trasmesse tra questi due componenti durante il funzionamento del motore. In particolare, è stata effettuata un'analisi per valutare queste forze, il cui incremento è responsabile dell'aumento delle perdite per attrito tra i due componenti. La seconda interazione considerata è quella tra pistone e spinotto. In particolare, è stata proposta un'ottimizzazione del profilo delle portate del pistone con l'obiettivo di migliorare le prestazioni tribologiche di questa contatto, il quale svolge un ruolo cruciale nel ridurre al minimo le perdite di potenza e possibili rotture. La terza e ultima interazione studiata è quella tra spinotto e piede di biella. Per migliorare il comportamento tribologico del contatto, è stato condotto uno studio con l'obiettivo di aggiungere un canale dell'olio dedicato, detto gundrill, che potrebbe aumentare la quantità di lubrificante che arriva al piede di biella, riducendo così al minimo le perdite per attrito. Infine è stata analizzata l'influenza di una strategia di combustione più aggressiva, come quella di un motore a idrogeno, sulle forze che vengono scambiate nelle tre interfacce appena citate. Le analisi esposte in questo lavoro mostrano risultati che possono essere utilizzati al fine di definire metodologie idonee in grado di prevedere la precisa interazione tra i componenti della parte superiore del manovellismo durante il funzionamento e consentire quindi un'ottimizzazione dei profili e delle geometrie dei corpi in contatto. Inoltre, questo studio fornisce utili linee guida che i progettisti di motori possono adottare al fine di compiere scelte ottimali per ridurre al minimo gli attriti, massimizzare l'efficienza e di conseguenza ridurre emissioni e consumi, con un impatto significativo dal punto di vista della sostenibilità ambientale della mobilità.