Studio ed ottimizzazione della testata per un motore diesel aeronautico ad altissime prestazioni

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1 Studio ed ottimizzazione della testata per un motore diesel aeronautico ad altissime prestazioni Candidato Giovanni Gualducci Relatore Prof. Ing. Luca Piancastelli Alma mater studiorum Università degli studi di Bologna AA 2005/2006

2 Obiettivi della tesi Proseguimento del lavoro dell Ing. Ricci Maccarini che ha dimensionato il propulsore e dell Ing. Boletti che ha dimensionato il basamento Dimensionamento di massima della testata Verifica agli elementi finiti Ottimizzazione strutturale Disegno della testa

3 Motore in analisi Cilindrata 7.0 litri Motore 12 cilindri a V di 90 Potenza teorica 1680 CV Rapporto di compressione pari a 15,5 Iniezione con iniettore pompa piezoceramico Doppia camera di combustione Velocità di rotazione dell albero motore pari a rpm

4 Assemblaggio delle parti Camme con conicità 3,5 Bilancieri Valvole aspirazione Iniettori pompa 2 x cilindro

5 Le fusioni in alluminio Per rendere meno difficoltose le fusioni si è deciso di realizzare la testata in 4 parti:

6 Iniettore pompa Nuova geometria Fresatura laterale per il bloccaggio

7 I materiali Fusioni in lega di alluminio A357-T61 Composizione: Al 92% - Si 7%, Mg 0,5%, Mn 0,1% Tensione a rottura 310 MPa Tensione di snervamento 248 Mpa Densità 2,6 kg/dm 3

8 I materiali Albero a camme,bilancieri e alberi in acciaio 39NiCrMo3 nitrurato Tensione a rottura 1030 MPa Tensione di snervamento 835 Mpa Densità 7,75 kg/dm3

9 Verifiche strutturali Carichi statici Forze di serraggio dei prigionieri Carichi costanti per ciclo di volo Carichi termici Carico variabile per ciclo di volo Pressione di 16 MPa sulla testa

10 Verifiche strutturali Carichi costanti per ciclo di volo + Carichi statici Distribuzione Temperature

11 Verifiche strutturali Carichi costanti per ciclo di volo + Carichi statici Tensione equivalente secondo Von Mises

12 Verifiche strutturali Carico variabile per ciclo di volo Tensione equivalente secondo Von Mises

13 Verifiche strutturali Punto 1: σ media = 94,5 MPa σ alterna = 33,5 MPa Punto 2: σ media = 184 MPa σ alterna = 5 MPa

14 Verifiche strutturali Punto 1: σ media = 94,5 MPa σ alterna = 33,5 MPa Punto 2: σ media = 184 MPa σ alterna = 5 MPa n = 1,6 n = 1,4

15 Alleggerimento testata Nuovo disegno della parte inferiore camera per il liquido di raffreddamento maggiorata riduzione degli spessori di parete Peso componente originale Peso componente modificato 25,5 kg 14,8 kg

16 Alleggerimento testata Nuovo disegno della parte intermedia Abbassamento di 10 mm Scavi in tutti i punti non sollecitati Peso componente originale Peso componente modificato 34,5 kg 17,8 kg

17 Alleggerimento testata Nuovo disegno della parte superiore Riduzione a 5 mm di tutti gli spessori di parete Peso componente originale Peso componente modificato 22,6 kg 8,0 kg

18 Alleggerimento testata Nuovo disegno del coperchio Riduzione degli spessori di parete Realizzazione in PEEK rinforzato carbonio fibra corta (densità 1,9 kg/dm 3 ) Peso componente originale Peso componente modificato 13,0 kg 2,5 kg

19 Alleggerimento testata Nuovo disegno dei bilancieri Realizzazione in lega di titanio Ti-6Al 6Al-4V Peso componente originale Peso componente modificato 1350 g 300 g

20 Alleggerimento testata Nuovo disegno dell albero a camme Foro assiale di diametro 40mm Realizzazione in lega di titanio Ti-6Al 6Al-4V Peso componente originale Peso componente modificato 14,1 kg 4,9 kg

21 Verifiche strutturali Carichi costanti per ciclo di volo + Carichi statici Tensione equivalente secondo Von Mises

22 Verifiche strutturali Carico variabile per ciclo di volo Tensione equivalente secondo Von Mises

23 Verifiche strutturali Punto 1: σ media = 59,4 MPa σ alterna = 40,9 MPa Punto 2: σ media = 212,5 MPa σ alterna = 18,7 MPa

24 Verifiche strutturali Punto 1: σ media = 59,4 MPa σ alterna = 40,9 MPa Punto 2: σ media = 212,5 MPa σ alterna = 18,7 MPa n = 1,8 n = 1,2

25 Verifica componenti Aspirazione modificati Bilancieri Scarico σ max max = 90,5 MPa σ max max = 91,9 MPa Tensione di snervamento della lega Ti-6Al 6Al-4V = 1100 MPa

26 Verifica componenti modificati Albero a camme σ max max = 324,4 MPa < 1100 MPa n = 3,4

27 Assemblaggio testata Peso finale 73 kg per bancata

28 Lubrificazione Bilancieri Albero a camme Discesa olio

29 Conclusioni Peso Testate (N. 2) 146 kg Peso Basamento 103 kg Peso imbiellaggi e pistoni 66 kg TOTALE motore nudo 315 kg Potenza motore 1680 CV Rapporto peso/potenza 0,185 kg/cv

30 Conclusioni

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