Analisi di Filtri dell’aria Aftermarket Paragone filtrante e microscopico di filtri dell’aria Aftermarket Team V4 Racing – UWTSD Swansea
Francesco Cavalli, Ingegneria Motociclistica - UWTSD Swansea George Douglas, Ingegneria Motociclistica - UWTSD Swansea Craig Shreeves, Ingegneria Motociclistica - UWTSD Swansea
Astratto Nel mondo delle competizioni motoristiche, il flusso dell’aria all’interno del motore rappresenta un fattore estremamente importante. Per un motore naturalmente aspirato, qualsiasi tipo di limitazioni di flusso sono praticamente rimosse o comunque ottimizzate. Nonostante ciò, a causa di questo ingresso diretto dell’aria, una forma di filtraggio si rende necessaria. Qualunque tipo di piccolo oggetto presente nel percorso di una moto, che potenzialmente possa entrare nei condotti di aspirazione, rappresenta una seria minaccia per la vita ed affidabilità di un motore. Vari componenti e metodi di filtraggio sono stati creati in parallelo agli sviluppi dei propulsori per migliorare la qualità ed in particolare la quantità di aria che viaggia. Per motori di produzione di serie, dove la performance non sembra rappresentare un ruolo principale, i filtri dell’aria sono stati sviluppati per garantire massima affidabilità attraverso la vita dei motori. In molti casi, tale sviluppo ha portato questi elementi filtranti a compromettere le performance dei motori, proponendo una valida via di sviluppo per vari marchi aftermaket nel cercare di combaciare la massima quantità di aria possibile e la pulizia di quest’aria. Questa ricerca è stata svolta al fine di analizzare alcuni filtri dell’aria aftermarket che finora sono stati considerati i migliori in assoluto nel mondo del motorsport. Molti di questi dichiarano un incremento nelle performance di flusso di aria, mantenendo uno standard di pulizia molto elevato. Nonostante ciò, qualunque tipo di elemento filtrante che viene posto all’ingresso di un condotto di aspirazione limiterà in qualche maniera la quantità di aria aspirata. Attraverso gli esperimenti espletati, si può vedere come questi elementi filtranti incrementano il flusso di aria, ma in particolare, quale di questi permette un rendimento migliore. Tutte le verifiche sono state effettuate utilizzando le attrezzature e macchinari forniti dalla UWTSD di Swansea. Dopo un’analisi di filtrazione dell’aria, piccoli campioni di ogni filtro sono stati analizzati al microscopio, in maniera da poter comprendere meglio la tecnologia, struttura e design di tali componenti. Nella sezione finale di questo report, una breve introduzione ed analisi dimostrerà come questi elementi filtranti possano essere implementati in dei software di simulazione per motori come Ricardo Wave, e gli effetti che i diversi metodi di design possono avere nella simulazione di questi motori.
Introduzione Questa ricerca è stata condotta all’interno di un progetto, in fase di sviluppo, alla UWTSD di Swansea nel corso Beng di Ingegneria Motociclistica. Le massime prestazioni rappresentano un fattore estremamente importante di questo progetto, che consiste nel creare e sviluppare una motocicletta da competizione che partecipa in un campionato nazionale Britannico. Nel processo di ricerca della potenza da parte del propulsore, il team ha constatato che rimuovendo il filtro dell’aria e la struttura dell’airbox, il risultato era estremamente positivo. Questo però rappresentava l’assenza di qualsiasi metodo di filtraggio dell’aria. Il fattore appena specificato non era stato considerato un problema, considerando i controlli frequenti che la squadra effettuava ad ogni revisione, specialmente perchè il rapporto di rischio dei componenti che potessero entrare nei condotti di aspirazione, rispetto ai risultati di performance, era estremamente piccolo. Nonostante ciò, il costante sviluppo e la necessaria affidabilità, hanno portato a ricercare un elemento filtrante competitivo. Pertanto un esperimento è stato condotto per analizzare i tassi di flusso di filtri dell’aria aftermarket, in maniera da poter constatare quale marchio potesse procurare il minor effetto sulla quantità di aria che accede l’aribox.
Processo di Sperimentazione Introduzione: Una volta selezionato un determinato numero di filtri da testare, occorreva stabilire con quali criteri e modalità dovevano essere sperimentati. Ciò è stato possibile utilizzando attrezzature e macchinari disponibili nel laboratori della UWTSD di Swansea. La prima fase dell’esperimento era completamente basata sul flusso, utilizzando il banco di flussaggio SuperFlow SF600. Questo macchinario permette di determinare la qualità di flusso di un componente attraverso la differenza di pressione all’interno della macchina. Una volta acquisiti i risultati, un paragone diretto di flussi dei materiali poteva essere fatto, derivando da una percentuale di flusso, una determinata quantità, procurata in CFM o Litri/Sec.
Metodo: In maniera da poter testare tutti i materiali alla stessa maniera, senza alterare in alcun modo la loro forma e layout di produzione, un componente apposito è stato disegnato e poi stampato in 3D. Il design è stato fatto con il softwared CAD della Siemens, NX9, ed è poi stato stampato in 3D con la strumentazione MakerBot Replicator 2. La struttura del componente è relativamente semplice, e consiste in un tubo verticale cha ha uno spazio 95x95mm su una delle estremità, dove i vari elementi filtranti possono essere inseriti e sigillati.
Risultati Come variabile indipendente, la pressione veniva incrementata ogni volta di 2 pollici di acqua, con un tasso di flusso impostato a 6 mentre le altre percentuali e quantità di flusso (L/s) rimanevano variabili dipendenti. A seguito dei test, questi erano i risultati: SF P08 WP TEST PRESSURE 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20
PERCENTAGE OF FLOW 14 20 24 29 33 35 38 41 43.5 45.5
RANGE L/s 6 39.13 6 55.9 6 67.08 6 81.055 6 92.235 6 97.825 6 106.21 6 114.595 6 121.5825 6 127.1725
K&N Road TEST PRESSURE 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20
PERCENTAGE OF FLOW 8 15 20 24 26.5 29.5 32 35 37 39
RANGE 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6
L/s 22.36 41.925 55.9 67.08 74.0675 82.4525 89.44 97.825 103.415 109.005
BMC Road TEST PRESSURE 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20
PERCENTAGE OF FLOW 11 16 22 25.5 29 32 34.5 37 39.5 41.5
RANGE 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6
L/s 30.745 44.72 61.49 71.2725 81.055 89.44 96.4275 103.415 110.4025 115.9925
SF P08 TEST PRESSURE 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20
PERCENTAGE OF FLOW 16 26 32 36.5 40.5 44 47.5 51 54 57
RANGE 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6
L/s 44.72 72.67 89.44 102.0175 113.1975 122.98 132.7625 142.545 150.93 159.315
BMC Race TEST PRESSURE 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20
PERCENTAGE OF FLOW 11 19 24 27.5 31 34 36 39 41.5 44
RANGE 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6
L/s 30.745 53.105 67.08 76.8625 86.645 95.03 100.62 109.005 115.9925 122.98
MWR TEST PRESSURE 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20
PERCENTAGE FLOW 10 15 17 19 21 22 24 25 26 27
RANGE 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6
L/s 27.95 41.925 47.515 53.105 58.695 61.49 67.08 69.875 72.67 75.465
Pipercross TEST PRESSURE 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20
PERCENTAGE OF FLOW 9 12.5 15 16 18 19 20 20.5 21 21
RANGE 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6
L/s 25.155 34.9375 41.925 44.72 50.31 53.105 55.9 57.2975 58.695 58.695
K&N Race TEST PRESSURE 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20
PERCENTAGE OF FLOW 14 21 26 29.5 33 36.5 39.5 44 46 48
RANGE 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6
L/s 39.13 58.695 72.67 82.4525 92.235 102.0175 110.4025 122.98 128.57 134.16
DNA TEST PRESSURE 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20
PERCENTAGE OF FLOW 9 15 19 24 26 29 32 34.5 36 38
RANGE 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6
L/s 25.155 41.925 53.105 67.08 72.67 81.055 89.44 96.4275 100.62 106.21
Con i risultati disposti su un grafico, è ancora più chiaro come i vari filtri si comportino rispetto al tasso di flusso. Un aspetto interessante di questi grafici è che i filtri sembrano quasi dividersi in tre gruppi distinti. Senza dubbio la miglior quantità di flusso è garantita dai singoli strati di poliestere, quindi lo Sprint Filter P08. Il secondo “gruppo” consiste principalmente di filtri in cotone con più strati con il K&N Race in cima, nonostante sia presente anche il sistema resistente all’acqua in poliestere: SF08 WP. In fine il terzo “gruppo” era costituito principalmente da filtri di spugna bagnati in olio.
Singolo strato in poliestere Strati multipli in cotone (e SF08 WP)
Filtri in spugna bagnati in olio
Ulteriore ricerca Analisi Microscopica: Come conseguenza dei risultati avuti, è stato deciso di analizzare ancora più in profondità questi materiali, cercando di comprendere la tecnica di creazione da parte delle aziende. Questa analisi è stata stimolata in particolare dai risultati ottenuti dai componenti in poliestere che ad occhio nudo sembrano quasi essere degli strati solidi.
Piccoli campioni di ogni filtro pronti per essere analizzati.
BMC Race (3 strati): Questa è una fibra di cotone, multistrato, ed è composta da 3 strati sovrapposti. Gli strati sono stati posti in maniera “irregolare” cosi’ da poter incrementare la filtrazione. Spessore Fibra = 105µm Area di flusso = 86,982µm²
Lo zoom del micriscopio limitato unicamente a 2 dei 3 strati.
BMC Road (4 strati): Stessa costruzione di fibra di cotone rispetto al modello “race”, nono stante sia creato da 4 strati posti in maniera tale da incrementare il filtraggio sacrificando parzialmente la performance. Spessore Fibra = 103.77µm Area di flusso = 143,352µm²
Zoom del microscopio limitato a 3 strati.
Sprint Filter - SF P08 (1 strato): Per questo materiale lo zoom e’ stato incrementato a 10x. E’ evidente una regolarita’ e costanza nella struttura. Probabilemte grazie al diametro dei canali non e’ necassario aggiungere ulteriori strati. Spessore fibra = 68µm Area di flusso = 8184µm²
SFP08 spessore filtro.
Sprint Filter - SF P08 WP (1 strato): Sprint Filter, SFP08 WP (Water Proof), singolo strato di poliestere, “Trattamento” applicato all’originale P08 per ridurre l’area di flusso, cosi’ da poter avere la resistenza all’acqua.
Spessore fibra = 35µm Area di flusso = 1480µm²
MWR (spugna): Il primo dei due filtri di spugna. Non si nota una struttura uniforme. Spessore delle fibre ed area di flussaggio nonmisurabili.
K&N Road (4 strati): K&N anche usa strati in cotone, e come BMC, il modello stradale e’ formato da 4 strati.
Spessore fibra = 100µm Area di flusso = 118,800µm²
Sovrapposizione dei primi 2 strati.
K&N Race (2 strati): Il modello K&N destinato alle competizioni e’ simile al BMC, con 2 strati di cotone. Per alcuni marchi cio’ che rappresenta la differenza maggiore e’ la quantita’ di strati applicati tra un modello e l’altro. Spessore fibra = 117µm Area di flusso = 130,192µm
Multistrati applicati
Pipercross (spugna): Pipercross e’ il secondo dei prodotti creati di spugna, ed e’ composto da due strati di spugna differenti. L’Area di passaggi odell’aria, sembra essere piu’ regolare rispetto al MWR. Nonostante questo, rispetto ai prodotti in cotone e poliestere e’ estrememante irregolare.
La sezione di accavallamento dei due strati di spugna.
DNA (4 strati): Il filtro DNA e’ un ulteriore prodotto in cotone, ancora una volta composto da piu’ strati, in questo caso 4. Spessore fibra = 133µm Area di flusso = 106,096µm²
2 dei 4 strati del DNA sovrapposti.
Analisi Ricardo Wave Come ulteriore ricerca di questo test, basato in particolare su ciò che è stato riscontrato con l’analisi su microscopio, ha reso possibile svolgere delle verifiche utilizzando il è particolarmente difficile, e si rivela essere poco accurata quando si arrivano a delle conclusioni. Di conseguenza, nel mondo della ricerca e sviluppo, ed industria, molti ingegneri tendono ad ignorare i filtri dell’aria durante le simulazioni o applicano semplicemente delle restrizioni o resistenze, simili a quelle che i filtri potrebbero produrre. Questi metodi tendono ad essere poco precisi e realistici. Wave è un programma che calcola il flusso dell’aria. La miglior maniera per ottenere risultati accurati avviene modellando i filtri in maniera meticolosa. Gli autori di questa ricerca per effettuare la simulazione, attraverso Ricardo Wave, hanno dovuto ignorare gli elementi filtranti. Con la scoperta della struttura dei vari filtri, solo il poliestere P08 ha permesso di includere un elemento filtrante perfettamente riproducibile software.
Lo stesso componente di sperimentazione utilizzato per le verifiche è stato importato dal design originali di NX, ed è stato utilizzato come principale condotto di aspirazione. L’elemento connotato da un verde più chiaro rappresenta uno dei materiali testati, ma applicato in maniera piatta, in quanto ancora non erano state inserite le increspature presenti sul prodotto finale.
In questa schermata è evidente come i minimi dettagli di eventuali elementi filtranti possano essere inseriti in un modello Wave. In quei casi dove sono presenti più strati, questo processo si rivela essere ancora più impegnativo. Visto che in molti dei casi analizzati gli strati sovrapposti non seguono un criterio uniforme, diventa ancora più complicato riprodurre precisamente alcuni filtri dell’aria.I risultati di un modello Wave, essendo estremamente accurato, permetterebbero, alle aziende o ingegneri che testano motori, di poter ridurre la quantità di test nella vita reale, visto che risulta essere più facile riprodurre filtri dell’aria con fibre regolari.
Conclusioni della ricerca Gli esperimenti conclusi hanno tratto delle conclusioni interessanti riguardo le caratteristiche di flusso di alcuni dei migliori filtri dell’aria a disposizione sul mercato. Uno dei fattori più interessanti scoperti in questa ricerca è stato scoprire come il SFP08 (Sprint Filter) composto di un singolo strato di poliestere riuscisse a competere contro i “classici” avversari di cotone e spugna. Inoltre, un altro fattore estremamente interessante che riguarda sempre un prodotto Sprint Filter, è che nonostante i fori per far passare l’aria sono più piccoli rispetto agli altri prodotti, SFP08 WP ha raggiunto una performance quasi simile a quella del miglior filtro multri-strato in cotone. Questo risultato evidenzia un chiaro vantaggio per i tassi di flusso, nell’utilizzare un singolo strato in poliestere. Per quanto riguarda invece i filtri in cotone, il modello da competizione della K&N è di gran lunga il prodotto dominante. Un’altra constatazione, legata alla struttura uniforme in poliestere, è stata la possibilità di riprodurre ed analizzare i prodotti Sprint Filter su programmi CAD e di simulazione di motori. Questo dettaglio permette un nuovo passo nei programmi di simulazioni di motori come ad esempio Ricardo Wave. La ricerca non ha però analizzato le caratteristiche di filtrazione dell’aria. Nonostante ciò, i test microscopici hanno dimostrato che Sprint Filter P08 con le sue estremamente piccole perforazioni procura comunque il flusso maggiore.
Brand
Material
Max Flow Rate (L/s)
Sprint Filter
SF P08
159.3
K&N
RACE (Cotton)
134.1
Sprint Filter
SF P08 WP
127.1
BMC
RACE (Cotton)
122.9
BMC
ROAD (Cotton)
115.9
K&N
ROAD (Cotton)
109
DNA
ROAD (Cotton)
106.2
MWR
SPONGE
74.4
Pipercross
SPONGE
58.6
Oltre alle ricerche effettuate per questo caso, futuri lavori di ricerca sono in programma. Le analisi future si focalizzeranno nel comprendere l’effetto sull’efficenza volumetrica di un motore naturalmente aspirato, in base ai filtri dell'aria applicati. I test si baseranno sul raggiungere dei risultati con il banco motori fornito dalla UWTSD, e si concluderà con delle verifiche effettuate tramite Ricardo Wave, come precedentemente menzionato in questo report.