Studio ed ottimizzazione dell imbiellaggio per un motore diesel aeronautico ad altissime prestazioni

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1 Studio ed ottimizzazione dell imbiellaggio per un motore diesel aeronautico ad altissime prestazioni Tesi di Laurea di Carlo Ricci Maccarini Relatore: Prof. Ing. Luca Piancastelli Correlatori: Prof. Ing. Gianni Caligiana Prof. Ing. Gian Paolo Cammarota Alma Mater Studiorum - Università degli Studi di Bologna - A.A. 2005/2006

2 Scelta delle specifiche tecniche per il dimensionamento di massima degli organi di macchina Analisi dei carichi agenti sul manovellismo Obbiettivi Scelta dei materiali Modellazione solida CAD Verifica strutturale FEM delle componenti Verifica armonica torsionale per l albero l a gomiti

3 Potenza massima garantita 1500 CV Ciclo di indicatore del motore 1900 JTD a pieno carico e regime di potenza massima Studio di massima 1. P max = 160 bar 2. Pressione di aspirazione = 2.5 bar 3. Esponente politropica di compressione n = 1,33 4. Rapporto di compressione di r = 15,5:1

4 Specifiche di progetto Cilindrata 7.0 litri Frazionamento ed architettura 12 cilindri a V 90 C m pistone compatibile con TBO di 3000 h C m = 16.4 m/s s = 49,2 mm D = 123 mm D/s = 2.5 Lunghezza biella 130 mm r/l =0,19

5 1 η*k i Specifiche di progetto Altri input di progetto: Distribuzione a 4 valvole per cilindro Albero a gomiti montato su 7 supporti di banco Iniezione del combustibile con doppio iniettore pompa ad otturatore piezoceramico Cielo del pistone con doppia camera di combustione Idea di fondo: Ricerca della massima prestazione Contenimento assoluto delle masse

6 Si è realizzato un foglio di calcolo in grado di risolvere i Analisi carichi sugli dei organi carichi di macchina esplicitati in funzione dell angolo di manovella.

7 Analisi dello stato dell arte per quel che riguarda la costruzione dei componenti in oggetto di studio Analisi metallografica e microstrutturale di pistoni per motori a combustione interna ciclo otto e diesel Adozione di materiali pregiati Compositi a matrice metallica CMM - PISTONE Materiali Leghe di Titanio (Ti-6Al 6Al-4V, STA) - BIELLA E SPINOTTO Acciai speciali ad alta resistenza (300M) - ALBERO A GOMITI Lega di Tungsteno ad alta lavorabilità (CMW 3970) - CONTRAPPESI Tecnologie di processo senza compromessi Metallurgia delle polveri Lavorazioni alle macchine utensili

8 Disegno del pistone fori passaggio lubrificante anello in ghisa Massa complessiva pistone = 1,060 Kg

9 Analisi strutturale FEM Ansys Workbench 10.0 : Ricostruzione della distribuzione di temperature di esercizio Linearizzazione del gradiente di temperatura Linearizzazione delle proprietà meccaniche del materiale Analisi pistone

10 La tensione equivalente si mantiene al di sotto dei Importazione del modello 125 MPa CAD e suddivisione negli elementi linearizzati Analisi con Ansys Workbench 10.0 In Definizione accordo con di vincoli le verifiche e carichi sperimentali, le proprietà Definizione meccaniche della Mesh del materiale e le osservazioni Risoluzione del fatte calcolo sulla determinazione rapidità della variazione della del tensione carico, nominale il componente secondo risulta il criterio verificato di Von Mises

11 Il disegno definitivo della biella è stato ottenuto dopo una selezione accurata fra varie possibilità di Disegno della biella realizzazione offerte da materiali e processi di produzione alternativi privilegiando anzitutto la rigidezza specifica Massa complessiva biella = 638 g

12 Nell effettuare l analisi l strutturale si è preferito Il valore di σ a snervamento per il TI σ max -6Al-4V <620 MPa risolvere per intero l assieme l è di 1100 Analisi MPa Strutturale SPINOTTO -BIELLA-MANOVELLA. Il valore di σ limite di fatica per il TI -6Al-4V è Tale soluzione presenta a fronte di tempi di calcolo più prolungati di 700 MPa la garanzia della corretta considerazione degli La biella risulta accoppiamenti verificata cinematici. Il valore di Il valore di La biella risulta verificata

13 Successivamente Le quote di ingombro si è proceduta e primo all ottimizzazione dimensionamento del progetto dell albero Disegno per a renderlo gomiti dell Albero sono adatto state alle individuate proprie a Gomiti caratteristiche facendo riferimento dinamiche. ai numerosi Si precisa esempi che date reperibili le caratteristiche in letteratura. meccaniche richieste e i regimi di rotazione raggiunti ci si è mossi su un terreno praticamente inesplorato

14 Determinazione dell ordine di Accensione Le caratteristiche geometriche e il grado di irregolarità estremamente contenuto hanno determinato l accantonamento l delle analisi a Analisi Torsionale carico statico ed armonica flessionale. L attenzione è stata rivolta all analisi analisi armonica torsionale realizzata mediante il metodo tabellare dell Holtzer integrato nel foglio di calcolo dell Ing. Piccaglia

15 Risultati dell analisi torsionale

16 Dal punto di vista strutturale è possibile realizzare un motore diesel aeronautico a doppio iniettore-pompa in grado di sviluppare una potenza di oltre 1500 CV ad un regime di esercizio di rpm. Le caratteristiche geometriche del manovellismo adottato consentono un notevole margine di sicurezza e quindi un ulteriore possibilità di aumento prestazionale intervenendo sul ciclo indicato quindi sull aumento della P mi GRAZIE Conclusioni mi In questa ottica l anello l debole della catena o per meglio dire quello che presenta un maggior grado di incertezza a livello progettuale diviene il pistone. Attualmente il gruppo di lavoro del prof. Piancastelli sta mettendo a punto un metodo di verifica innovativo che tiene conto di importanti fattori tuttora trascurati e lasciati all esperienza maturata dai costruttori.