STUDIO DI FATTIBILITASTUDIO DI FATTIBILITA’’ DI UN DI UN

MOTORE DIESEL MOTORE DIESEL

AEREONAUTICO DI AEREONAUTICO DI

PRESTAZIONI EQUIVALENTI PRESTAZIONI EQUIVALENTI

ALLA TURBINA PTALLA TURBINA PT--66

�� Tesi di laurea diTesi di laurea di

Giuliani MarcoGiuliani Marco

�� Relatore: Relatore:

Prof. Ing. L. Piancastelli

Università degli studi di Bologna-A.A.2004/2005-19 gennaio2006

ObbiettiviObbiettivi

�� Studio di massima del motore diesel common Studio di massima del motore diesel common railrail avente i nuovi iniettori avente i nuovi iniettori piezoceramicipiezoceramici in in grado di lavorare fino a 10000 grado di lavorare fino a 10000 rpmrpm

�� Dimensionamento dellDimensionamento dell’’assiemeassieme

PistonePistone--spinottospinotto--biellabiella

�� Verifica di resistenza delle parti con Verifica di resistenza delle parti con ““AnsysAnsysWorkbenchWorkbench””

Studio di massimaStudio di massima

�� Potenza massima1450 Potenza massima1450 cvcv

�� Supponiamo di poter conservare il ciclo Supponiamo di poter conservare il ciclo delldell’’indicatore del motore 1900 indicatore del motore 1900 jtdjtd avioavio avente avente le seguenti caratteristichele seguenti caratteristiche

1.1. PmaxPmax = 160 bar= 160 bar

2.2. Pressione di aspirazione Pressione di aspirazione = = 2.5 bar 2.5 bar

3.3. Esponente della Esponente della politropicapolitropica di compressione di compressione n=1,33n=1,33

4.4. Rapporto di compressione di r=15Rapporto di compressione di r=15.5.5:1:1

Studio di massimaStudio di massima

�� Cilindrata nuovo motore 7000 Cilindrata nuovo motore 7000 cccc

�� FramentazioneFramentazione della cilindrata ed architetturadella cilindrata ed architettura�� 12 cilindri a V12 cilindri a V

�� VelocitVelocitàà media del pistone (Cmedia del pistone (Cmm) compatibile con una durata di 3000 h ) compatibile con una durata di 3000 h Cm 1900jtd a 3800 Cm 1900jtd a 3800 rpmrpm = 11.4 m/s (vita dei segmenti circa 4500 h)= 11.4 m/s (vita dei segmenti circa 4500 h)

Cm yamahaR6 a 12500 Cm yamahaR6 a 12500 rpmrpm = 14 m/s (regime di coppia = 14 m/s (regime di coppia maxmax); );

Cm yamahaR6 a 14500 Cm yamahaR6 a 14500 rpmrpm = 20.54 m/s (regime di potenza = 20.54 m/s (regime di potenza maxmax););

Scelgo invece una corsa di 49.2 mm con un Cm pari a 16.4 m/sScelgo invece una corsa di 49.2 mm con un Cm pari a 16.4 m/s

�� Alesaggio = 123 mmAlesaggio = 123 mm Alesaggio/Corsa = 2.5Alesaggio/Corsa = 2.5

�� Per limitare le spinte laterali sul pistone scelgo la lunghezza Per limitare le spinte laterali sul pistone scelgo la lunghezza della biella pari a della biella pari a 130 mm130 mm�� r/l =0,19r/l =0,19

Studio di massimaStudio di massima

�� Valutazione del consumoValutazione del consumo�� KiKi = 10000 kcal/kg = 10000 kcal/kg

�� ηη = 0,38= 0,38

�� posso cosposso cosìì determinare il consumo specifico q , determinare il consumo specifico q ,

il consumo orario Q del motore.il consumo orario Q del motore.

�� q =1/ q =1/ ηη ·· KiKi == 2,63 2,63 ·· 1010--11gr/kcal = 226 gr/kcal = 226 grgr/kWh/kWh

�� QQtotaletotale = q= q ·· P = 240 kg/hP = 240 kg/h

�� QQcilindrocilindro=240/12 =20 kg/h=240/12 =20 kg/h

i

1

η*k

Studio di massimaStudio di massima

�� Valutazione del combustibile da iniettare per Valutazione del combustibile da iniettare per

scoppio per cilindroscoppio per cilindro�� VVregimeregime= 10000 = 10000 rpmrpm ne segue che ho c=300000 detonazioni ne segue che ho c=300000 detonazioni

allall’’oraora

�� rr = 0,9 kg / dm= 0,9 kg / dm33

�� qqc4c4 = = QunitQunit/c /c ·· rr = 74,3 mm33

La quantitLa quantitàà richiesta non richiesta non èè elevata, ed elevata, ed èè ben al di sotto dei limiti ben al di sotto dei limiti

tecnologici dei comuni iniettori oggi in commercio ( 150tecnologici dei comuni iniettori oggi in commercio ( 150--160 160

mm33).

Dimensionamento pistoneDimensionamento pistone

�� Rapporto di compressione r = 15.5:1Rapporto di compressione r = 15.5:1

�� VVcameracamera combustione combustione == VVcilcil--unitariaunitaria/r = 3,77 /r = 3,77 ··1010--5 mm33

� Vcamera-unitaria=1,885 ·· 1010--5 mm33

� Diametro Esterno Spinotto = 37.5 mm (per analogia dal 1900jtd)

� Modello costruito con Solid Edge

Analisi pistoneAnalisi pistone

�� Analisi strutturaleAnalisi strutturale::�� Analisi statica: pistone al Analisi statica: pistone al P.M.S.P.M.S. sollecitato dalla pressione dei gas e dalla distribuzione di sollecitato dalla pressione dei gas e dalla distribuzione di

temperature analoga al 1900 temperature analoga al 1900 jtdjtd

�� Importazione del modello in Importazione del modello in AnsysAnsys WorkbenchWorkbench 99

�� DiscretizzazioneDiscretizzazione del componentedel componente

�� Applicazione di carichi e vincoliApplicazione di carichi e vincoli

�� Definizione di proprietDefinizione di proprietàà del materiale in funzione di temperatura del materiale in funzione di temperatura e velocite velocitàà di di

applicazione del carico. Assegnazione di tali proprietapplicazione del carico. Assegnazione di tali proprietàà a diverse aree del a diverse aree del

pistonepistone

�� Calcolo Calcolo

Analisi pistone: risultati calcolo con Analisi pistone: risultati calcolo con

AnsysAnsys WorkbenchWorkbench

�� Pistone non ricoperto Pistone non ricoperto

Lega dLega d’’alluminio 390alluminio 390--T5T5

�� Carico:Carico:

�� 160 bar in camera160 bar in camera

�� 140 bar sul cielo del pistone140 bar sul cielo del pistone

�� Accelerazione applicata a tutti Accelerazione applicata a tutti

i componenti per simulare la i componenti per simulare la

forza dforza d’’inerziainerzia

�� Risultati:Risultati:

�� Il materiale non riesce a Il materiale non riesce a

sopportare i carichisopportare i carichi

�� Si hanno molte zone in cui il Si hanno molte zone in cui il

C.S. C.S. èè minore di unominore di uno

Risultati calcolo con Risultati calcolo con AnsysAnsys

WorkbenchWorkbench

�� Pistone ricoperto con acciaio 30 Pistone ricoperto con acciaio 30 WCrVWCrV 179 dello spessore di 1mm:179 dello spessore di 1mm:

�� Il pistone risulta molto sollecitato Il pistone risulta molto sollecitato soprattutto nella parte di soprattutto nella parte di accoppiamento con lo spinotto accoppiamento con lo spinotto dove ho un fattore di sicurezza dove ho un fattore di sicurezza molto basso, ma superiore ad 1molto basso, ma superiore ad 1

�� Il punto debole del pistone Il punto debole del pistone èè il il materiale di cui materiale di cui èè costituito (lega costituito (lega dd’’alluminio 390alluminio 390--T5) perchT5) perchéé anche anche se molto leggero, le caratteristiche se molto leggero, le caratteristiche scadono molto rapidamente con scadono molto rapidamente con ll’’aumentare della temperatura.aumentare della temperatura.

Analisi biellaAnalisi biella

�� Disegno modello con Disegno modello con SolidSolid EdgeEdge

�� Importazione del modello in Importazione del modello in AnsysAnsys

WorkbenchWorkbench 99

�� DiscretizzazioneDiscretizzazione del componentedel componente

�� Applicazione di carichi e vincoliApplicazione di carichi e vincoli

�� Carichi determinati con il foglio di Carichi determinati con il foglio di

carico dellcarico dell’’ing. ing. PiccagliaPiccaglia

�� CalcoloCalcolo

Analisi biellaAnalisi biella

�� La tensioni massima La tensioni massima èè

concentrata sul piede di concentrata sul piede di

biella.biella.

�� Le sollecitazioni sono Le sollecitazioni sono

abbondantemente al di sotto abbondantemente al di sotto

del limite di snervamento del del limite di snervamento del

materiale che materiale che èè di 930 di 930 MpaMpa e e

come si può vedere anche il come si può vedere anche il

fattore di sicurezza fattore di sicurezza èè in in

generale elevato in quanto si generale elevato in quanto si

tratta di un carico impulsivotratta di un carico impulsivo

Analisi biella e spinottoAnalisi biella e spinotto

ConclusioniConclusioni

�� Dal punto di vista strutturale Dal punto di vista strutturale èè possibile realizzare un motore diesel common possibile realizzare un motore diesel common railrail da 1450 CV a 10000 da 1450 CV a 10000 rpmrpm

�� LL’’idea di utilizzare come materiale per il pistone la lega didea di utilizzare come materiale per il pistone la lega d’’alluminio 390alluminio 390--T5 T5 èèrisultata molto soddisfacente per quanto concerne la riduzione drisultata molto soddisfacente per quanto concerne la riduzione dei pesi, anche ei pesi, anche se si se si èè dovuti ricorrere ad un ricoprimento ddovuti ricorrere ad un ricoprimento d’’acciaio ( 30 acciaio ( 30 WCrVWCrV 179 ) dello 179 ) dello spessore di 1 mm per poter sopportare le elevate sollecitazioni spessore di 1 mm per poter sopportare le elevate sollecitazioni presenti in presenti in camera di combustione camera di combustione

�� La doppia iniezione La doppia iniezione èè molto vantaggiosa per due aspettimolto vantaggiosa per due aspetti

�� Sicurezza: gli iniettori lavorano indipendentemente e perciò se Sicurezza: gli iniettori lavorano indipendentemente e perciò se uno non uno non funziona permette il rientro in condizioni di emergenzafunziona permette il rientro in condizioni di emergenza

�� Riduzione del peso del pistone e quindi delle forze dRiduzione del peso del pistone e quindi delle forze d’’inerzia inerzia

Riduzione delle sollecitazioni, motore piRiduzione delle sollecitazioni, motore piùù compatto e sicurocompatto e sicuro

�� La biella non presenta particolari problemi strutturali. Si prefLa biella non presenta particolari problemi strutturali. Si preferisce ipotizzare erisce ipotizzare una biella di lega di titanio per motivi di inerzia e pesouna biella di lega di titanio per motivi di inerzia e peso

DiscretizzazioneDiscretizzazione pistonepistone

�� Elemento tetraedricoElemento tetraedrico

�� Dimensione elemento Dimensione elemento

parti pistone: 3 mmparti pistone: 3 mm

�� Dimensione elemento Dimensione elemento

rivestimento pistone: 1 rivestimento pistone: 1

mmmm

�� Reticolo con 259952 Reticolo con 259952

nodi e 93530 elementinodi e 93530 elementi

Ambiente di analisiAmbiente di analisi

Caratteristiche materiale A390Caratteristiche materiale A390--T5T5

0

10

20

30

40

50

60

70

80

0 50 100 150 200 250 300 350 400

T emperat ura ( deg C )

Serie1

Suddivisione del materiale in più zone a

T costante incollate tra loro con vincoli

di congruenza (spostamenti e rotazioni

ai nodi)

Definizione delle caratteristiche in

funzione della T ipotizzata su ogni zona.

Andamento della T da verificare perché

non conosciuta, ma ipotizzata basandosi

su quella del pistone del 1900 jtd avio.