Metanizzazione di un trattore agricolo

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1 Workshop: Soluzioni tecnologiche per un agricoltura eco efficiente San Michele all Adige, Stefano Slaghenaufi Centro Ricerche FIAT Trento Branch - Technologies & Design

2 Index Principali aree di intervento per la metanizzazione Culla motore strutturale Impianto di stoccaggio 2

3 Principali aree di intervento per la metanizzazione Obiettivo: realizzare un trattore funzionante al 100% a biometano adatto a lavorare in una biogas farm. Attività complessa che ha coinvolto numerosi specialisti di diverse aree tecniche. Tubazioni metano e riduttore di pressione Scarico Coperture stilistiche Nuova ventola motore Ammortizzatori cabina Centralina gestione motore Sostituzione motore Culla motore strutturale Riduttore di velocità Strutture di sostegno bombole Installazione bombole CNG 3

4 Culla motore strutturale Sostituzione dell attuale motore diesel con il motore F1C le cui caratteristiche principali sono: Motore a ciclo Otto: cilindrata 2998 cc., potenza max. 100 kw, coppia max. 350 Nm Già utilizzato in veicoli funzionati a metano al 100% (es. Daily Natural Power) Potenza e curva di coppia compatibile con il motore attuale tramite l inserimento di un opportuno riduttore Possibilità di avere un serbatoio di benzina di emergenza (14 litri) Problema: il motore attuale ha anche una funzione strutturale Motore NP gruppo cambiotrasmissione occorre ripristinare tale funzionalità con una struttura progettata ad hoc che sia in grado di sopportare le notevoli sollecitazioni. Motore F1C supporto assale anteriore giunti bullonati assale posteriore culla motore Soluzione adottata: realizzare una culla che si colleghi al supporto anteriore e al cambio e che permetta di alloggiare il motore F1C ed il riduttore. 4

5 Culla motore strutturale: selezione materiale/tecnologia A causa degli ingombri di motore e riduttore, si rende necessario una modifica nel punto di attacco del supporto assale anteriore La nuova culla motore può integrare anche il supporto assale anteriore in modo da avere un componente unico ed eliminare i collegamenti bullonati Selezione della accoppiata materiale-tecnologia Componente strutturale sottoposto a forti sollecitazioni Componente di grosse dimensioni e geometricamente complesso Bassi volumi produttivi Materiali metallici (acciaio, alluminio, ghisa ) Compositi (fibra di vetro, fibra di carbonio ) Costi elevati Fusione + lavorazione meccanica Colata in sabbia Tabella materiali metallici colabili in sabbia con buone proprietà meccaniche Scarsa resistenza alla T 5

6 Materiali selezionati Materiale Tecnologia densità 1 Ghisa grigia (lamellare) ISO-JL-275 Colata in sabbia (Sand casting) (kg/dm 3 ) rigidezza (E; GPa) snervamento (MPa) Colabilità Costo relativo ottima 1 2 Lega alluminio (F as cast) 3 Acciaio colato a medio C GS-52 Colata in sabbia (Sand casting) Colata in sabbia (Sand casting) ottima buona 3.3 6

7 Ottimizzazione Per la fase di impostazione del componente sono stati utilizzati i più recenti metodi di ottimizzazione. Descrizione del flusso di ottimizzazione topologica: 1. Individuazione dei limiti dimensionali e creazione di un volume di controllo cioè del massimo ingombro che può avere il componente. 2. Inserimento dei casi di carico. Per questo componente sono stati individuati 6 casi di carico principali. Essi riproducono i test sperimentali che vengono realizzati da CNH per poter deliberare un trattore. Volume di controllo o design space esempi schematico di un caso di carico Caso di carico Axle Stop : mette in torsione la culla Come risultato dell ottimizzazione si ottiene un volume «scavato»: il software lascia il materiale solo dove serve (linee di forza). È stata effettuata la stessa analisi con 3 materiali diversi (ghisa, acciaio, alluminio). La ghisa che permette di raggiungere le prestazioni meccaniche e, rispetto all acciaio, è più colabile, meno costosa ed ha una maggior capacità di smorzamento delle vibrazioni. 7

8 Disegno della culla e verifiche di prodotto Interpretando i risultati dell ottimizzazione è stato disegnato un modello CAD della culla. Creazione di un modello FEM col quale si sono verificate le prestazioni (rigidezze) e la resistenza. Sottoposto agli stessi casi di carico utilizzati per l ottimizzazione Prima versione CAD Mappa delle tensioni (von Mises) caso di carico «bending chassis» design finale: vista da sopra e da sotto In base ai risultati sono state individuate e modificate le aree critiche fino ad avere un componete in grado di superare tutti i casi di carico. 8

9 Verifica di processo Indicazioni alla progettazione del componente sono venute oltre che dalle analisi di prodotto anche da quelle di processo. Dopo aver dimensionato i sistemi di alimentazione e colata (materozza, canali, attacchi ), sono state simulate le fasi di riempimento e solidificazione. Osservando i risultati non sono emerse criticità quindi le matematiche CAD sono state date alla fonderia per la realizzazione del grezzo. Mappa di temperatura durante il riempimento Mappa di temperatura durante la solidificazione Componente grezzo 9

10 Installazione bombole CNG Principali fattori che hanno guidato la progettazione dell impianto di stoccaggio: 1. Vincoli normativi 2. Conservare la funzionalità e la modalità d uso 3. Maggior capacità possibile autonomia 4. Semplicità dell impianto riduzione costi Vincoli normativi Principali normative sui veicoli CNG ISO / / R110 ECE ONU R115 Norme nazionali Vigenti nella comunità europea. Spesso sono usate come riferimento in altri paesi (ad esempio in Brasile ed Argentina) NB: La norma ECE R110 riguarda le categorie di veicoli M e N (trasporto di persone e merci). Non esiste (ancora) una normativa specifica sugli impianti a metano di veicoli per utilizzo agricolo. Essa prevede delle specifiche sia sui singoli componenti (es. bombole, valvole, regolatori di pressione ecc.) sia sull installazione (modalità di fissaggio, distanze minime, test di tenuta ecc.). 10

11 ECE ONU R110 & R115 Alcuni esempi di prescrizioni contenute nella norma: Test di tenuta alla massima pressione Ogni singolo componente deve essere omologato Le bombole devono essere fissate al veicolo con almeno: a) 2 fasce per bombola b) 4 bulloni I serbatoi devono essere protetti dall azione dei raggi solari. La protezione deve coprire un arco di 180 Tra serbatoio e veicolo deve essere interposto materiale cedevole, antiscintillio e non igroscopico Altezza minima da terra di 200 mm con veicolo in ordine di marcia Nessun componente del sistema deve essere collocato a meno di 100 mm dalla tubazione di scarico o da fonti di calore simili, a meno che non sia opportunamente schermato Su ciascuna bombola deve essere montata una valvola automatica 11

12 Selezione del tipo di bombola CNG Materiali Tipo I Tipo II Tipo III Tipo IV Bombole in metallo (acciaio, alluminio) ottenute mediante un processo senza saldatura Bombole con liner di metallo (acciaio, alluminio) rinforzato sulla parte cilindrica con fibre alto resistenziali (carbonio, kevlar...). Bombole con liner di metallo (acciaio, alluminio) rinforzato completamente con fibre alto resistenziali (carbonio, kevlar...) Bombole con liner interamente in composito rinforzato completamente con fibre alto resistenziali. Costo [ /l] Efficienza [Kg/l] Riduzione Peso [%] Vita media [anni] VALUTAZIONE Alta disponibilità Alta efficienza Basso costo Costo Peso Bassa disponibilità a commercio Bassa efficienza Costo maggiore Sono state scelte bombole di tipo I grazie al minor costo, alla maggiore efficienza e a soluzioni commerciali già esistenti e disponibili in varie dimensioni. 12

13 Limiti geometrici Sono stati fissati dei limiti geometrici (linea rosa) in modo da preservare la funzionalità, la comodità d uso e per cercare di seguire la normativa. Secondo gradino Porta chiusa Nessuna bombola sul tetto Limite verso le ruote Secondo gradino garantire la visibilità Altezza da terra: limite del serbatoio attuale Serbatoio / inviluppo ingombri ruote anteriori 13

14 Configurazione bombole Visti i limiti geometrici sono state individuate 3 aree principali per il posizionamento delle bombole: Nello spazio lasciato libero dal serbatoio del gasolio Parte destra rinunciando alla seconda scaletta ed all apertura porta Dietro la cabina (configurazione a portale) Indagato numerose configurazioni variando: Diametro e lunghezza delle bombole fra quelle a commercio (già omologate) Numero delle bombole Orientamenti delle bombole (verticale, orizzontale, obliquo) Uno dei primi layout di bombole capacità 270 litri n bombole 20 14

15 Configurazione finale capacità n bombole 299 litri 9 Affinando la disposizione delle bombole e spostando pochi altri componenti (es. batteria) si è riuscito ad ottenere una capacità complessiva di circa 300 litri con 9 bombole. Potendo utilizzare bombole di dimensioni ad hoc e potendo riorganizzare maggiormente il layout si può facilmente incrementare la capacità complessiva. 15

16 Schema impianto Bombole su cabina Tubo flessibile Bombole lato destro Bocchettone di riempimento NGV1-P30 Φ 269 x 670 Φ 269 x 670 Φ 269 x 670 Φ 356 x 670 Φ 228 x 1630 Φ 269 x 670 Alimentazione motore Riduttore pressione Bombole lato sinistro Φ 276 x 830 Φ 178 x 1065 Tubo rigido Φ 178 x 1065 Pressione dell impianto = 220 bar Tubo flessibile Bocchettone di rifornimento 16

17 Conclusioni Si è illustrato la sostituzione del motore attuale con l F1C funzionante a biometano al 100% senza perdita di prestazioni. È stata descritta l installazione di 9 bombole per una capacità totale di circa 300 litri (52 Kg) di metano (P=220bar) Il modello metanizzato è un trattore di classe APH, di grande diffusione a livello europeo ed adatto al lavoro in una biogas farm. La messa a punto di un modello di trattore a biometano consente di "chiudere il loop" in ottica di avere un'azienda agricola indipendente dal punto di vista energetico 17

18 Grazie per l attenzione 18

19 Backup

20 Strutture di sostegno Parte fondamentale dell attività è stata la progettazione delle strutture di sostegno del sistema di stoccaggio. Le caratteristiche principali richieste a tali strutture sono: Trattenere le bombole anche sotto l azione di accelerazioni notevoli Garantire un facile montaggio Proteggere le bombole da urti accidentali Garantire una facile accessibilità alle valvole Essere economiche Supporto bombole destro Supporto bombole cabina Supporto bombole sinistro 20

21 Risultati ottimizzazione Come risultato dell ottimizzazione si ottiene un volume «scavato»: il software lascia il materiale solo dove serve (linee di forza). È stata effettuata la stessa analisi con 3 materiali diversi (ghisa, acciaio, alluminio). Osservando i risultati: 1. l alluminio non permette di raggiungere la rigidezza e la resistenza richieste. 2. Acciaio e ghisa superano i requisiti; l acciaio permetterebbe una soluzione più leggera (prestazione non richiesta).c Soluzione in ghisa In conclusione il materiale scelto è la ghisa che permette di raggiungere le prestazioni meccaniche e, rispetto all acciaio, è più colabile, meno costosa ed ha una maggior capacità di smorzamento delle vibrazioni. 21