Studio ed ottimizzazione di un iniettore a idrogeno per il motore 1900 JTD

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2 Diapositiva 1 Nu1 Buongiorno, sono Giovanni Marini e la tesi che presento ha come argomento lo studio ed ottimizzazione di un iniettore a idrogeno per il motore 1900 JTD Nome utente; 13/12/2007

3 Nu2 Parametri di progettazione P = W (140 CV) ω = 419,9 rad/s (4000 rpm) η=0.3 (dato di tentativo) α= = 20 (angolo manovella iniezione) Kc= 120 MJ/kg (H 2 ) p= 60 MPa (pres. iniezione) 2

4 Diapositiva 2 Nu2 Questa tesi si inserisce all'interno di un progetto più globale di conversione dell'attuale motore 1900 di derivazione Fiat dall'attuale funzionamento a gasolio al funzionamento a idrogeno. Per la progettazione dell'iniettore sono stati adottati i seguenti parametri, quindi una potenza massima di 140 cavalli a 4000 giri, un rendimento del 30%, un angolo di iniezione di manovella di 20, un potere calorifico del combustibile per unità di massa di 120MJ/kg con una pressione di iniezione di 600 bar. Nome utente; 13/12/2007

5 Nu3 Schema inettore Molla di chiusura Connettore elettrico Solenoide Connettore carburante Diffusore 3

6 Diapositiva 3 Nu3 Vediamo in questa slide le immagini della realizzazione 3D del nostro componente e una sezione bidimensionale dello stesso. Sono messi in evidenza in figura alcuni dei componenti principali adottati, quindi la molla di chiusura, il solenoide, il diffusore, il connettore elettrico e il connettore di carburante. Nome utente; 13/12/2007

7 Nu4 Calcolo volume di combustibile introdotto per iniettata P W Potenza Combustibile = = M& ckc = = 343 kj / s η 120 MJ / kg Pc 343 kj / s 3 Portata fittizzia combustibile = = = *10 k g / s Kc 120 MJ Mc & *720 3 Portata massica reale = = 25,7*10 kg / s (20 *4) MCreale & 3 3 Portata volumetrica reale = = 0,51*10 m / s ρ α 0,349rad Tempo di iniezione = = = 0,00083s ω 419,9 rad / s Vol. combustibile = M& cvol * t = 0,51*10 m / s * 0, 00083s = 4, 233*10 m 423mm

8 Diapositiva 4 Nu4 Dai parametri di progettazione è stato dunque possibile calcolare il volume di combustibile introdotto per iniettata. è stata infatti calcolata inizialmente la potenza di combustibile che deve essere introdotta per garantire la potenza target di 140 cavalli, da questa si è poi calcolata una portata di combustibile fittizzia che indica la portata di combustibile che dovrebbe essere garantita se l'iniezione in camera di combustione fosse continua. Considerando che l'iniezione avviene su 4 iniettori e su un angolo di manovella di 20 ogni 720 si è quindi calcolata la portata reale, da questa ottenuto il tempo di iniezione, si è calcolato il volume di combustibile introdotto pe iniettata. Nome utente; 13/12/2007

9 Nu5 Dimensionamento molla di chiusura * * 2 2,5* 0,54*10 *90*10 12,15 F = n Ω p = mm Pa = N Da catalogo DIM: Diametro medio = Dm = 14 mm Diametro del filo = d = 1, 25 mm Numero di spire attive = Na = 8,5 Lunghezza libera = Lo = 44,5 mm 5

10 Diapositiva 5 Nu5 Il dimensionamento della molla è stato effettuato sulla base dell'intensità della forza derivante dalla pressione della camera di combustione. Per il risultato ottenuto è stata scelta una molla di tipo commerciale dal catalogo della DIM; molla che, tramite un opportuno precarico è in grado di garantire la chiusura ermetica dello stelo. Nome utente; 13/12/2007

11 Nu6 Dimensionamento solenoide Numero di spire N = 1000 Raggio medio r m = 7,5mm Resistenza del filo R = 6,1 Ω Resistività del rame ρ = 0,0176Ω mm 2 /m 6

12 Diapositiva 6 Nu6 Si è proceduto quindi con il dimensionamento del solenoide effettuando una verifica per comparazione con il solenoide attualmente in uso nell'iniettore Common Rail della Bosch. Il nostro iniettore presenta le seguenti caratteristiche: un numero di spire pari a mille, un raggio medio di 7,5 millimetri e una resistenza del filo di 6,1 Ohm. Nome utente; 13/12/2007

13 Nu7 Iniettore H 2 Iniettore Common- Rail Bosch h = 50 mm ri = 5 mm re = 10 mm M = 30 g h = 10 mm ri = 3 mm re = 5 mm M = 6 g Λ = M / V = 2,546*10-3 g/mm 3 Λ = M / V = 11,928*10-3 g/mm 3 n 3 3 ΛBosch 11,928*10 g / mm = = = ΛH ,546*10 g / mm 4,68 7

14 Diapositiva 7 Nu7 La comparazione è stata effettuata adottando una grandezza di unità di massa sollevata per unità di volume. Come si nota dai calcoli, il solenoide progettato è in condizioni di ampia sicurezza rispetto al solenoide presente all'interno dell'iniettore Bosh avendo un coefficiente di sicurezza di 4.7. Nome utente; 13/12/2007

15 Nu8 Valvola di sicurezza 8

16 Diapositiva 8 Nu8 A causa dell'elevata infiammabilità e volatilità dell'idrogeno si è scelto di adottare una valvola di sicurezza a prevenzione del fenomeno del backfire, e quindi del ritorno di fiamma all'interno dell'iniettore. La valvola di sicurezza non è altro che una semplice valvola di non ritorno il cui montaggio è particolarmente semplice per la particolare geometria dell'accoppiamento diffusore-corpo iniettore. Nome utente; 13/12/2007

17 Nu9 Tenuta Organo di tenuta 9

18 Diapositiva 9 Nu9 Per assicurare la tenuta rispetto a un fluido così volatile come è l'idrogeno si è scelto di adottare dei particolari organi di tenuta autolubrificanti dal catalogo Angst-Pfister di cui vediamo in figura una immagine e una sezione. Nome utente; 13/12/2007

19 Nu10 Materiale L idrogeno genera fenomeni corrosivi Rigonfiamento Decarburazione Infragilimento AISI316Ti ( X6CrNiMoTi1712 ) 10

20 Diapositiva 10 Nu10 Come noto l'idrogeno può favorire l'insorgere di problemi di rigonfiametnto, decarburazione e infragilimento dell'acciaio. Per questo motivo si è scelto AISI316Ti, acciaio austenitico stabilizzato contenente titanio proprio per sfavorire i fenomeni sopra citati. Nome utente; 13/12/2007

21 Nu11 Verifica tensione nei condotti 11

22 Diapositiva 11 Nu11 è stata quindi effettuata tramite Ansys Workbench 10, software commerciale agli elementi finiti la verifica della tensione dei condotti generata dall'elevata pressione di dell'idrogeno. Si è registrato un picco di tensione in prossimità del volume di raccolta dell'idrogeno, la dove il raggio di curvaura della parete è minore. Il picco di tensione è di 178MPa e quindi decisamnete al di sotto della sigma di snervamento del materiale scelto. Nome utente; 13/12/2007

23 Nu12 Ancoraggio 12

24 Diapositiva 12 Nu12 Per quanto riguarda l'ancoraggio alla testata si è scelto di adottare una soluzione classica con forchetta-prolunga e vite mordente. Nome utente; 13/12/2007

25 Nu13 Conclusioni Sembra possibile realizzare un iniettore ad H 2 in sost. iniettore diesel common rail Problema ritorno di fiamma forse risolto con valvola di non ritorno La pressione di 600 bar consente di ridurre il volume dell iniettata 13

26 Diapositiva 13 Nu13 Possiamo quindi concludere che sembra possibile realizzare un iniettore a idrogeno in sostituzione dell'iniettore diesel common rail. La conversione pare attualizzabile nonostante il problema del ritorno di fiamma che dovrebbe essere risolto con la valvola di non ritorno. La pressione di 600 bar consente infine di ridurre il volume dell'iniettata. Nome utente; 13/12/2007

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