Studio di massima della conversione da Benzina a Diesel del motore DB 605

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1 UNIVERSITA DEGLI STUDI DI BOLOGNA FACOLTA DI INGEGNERIA Corso di Laurea in Ingegneria Meccanica Disegno Tecnico Industriale Studio di massima della conversione da Benzina a Diesel del motore DB 605 Relatore : Prof. Ing. Luca Piancastelli Tesi di laurea di : Davide Vangelisti Correlatori : Prof. Ing. Gianni Caligiana Prof. Ing. Franco Persiani Prof. Ing. Alfredo Liverani Prof. Ing. Enrico Troiani Dott. Ing. Veronica Rossi Dott. Ing. Lorenzo Dardi

2 Lo Scopo della Tesi Valutazione delle reali possibilità di conversione di un motore ad accensione per scintilla in uno ad accensione per compressione Verifica delle possibilità di rimanere nello stesso campo di potenze originario Progettazione del nuovo stantuffo e modifiche sostanziali da apportare alla testata Incremento della velocità di rotazione dell albero motore e verifiche torsionali del suddetto albero

3 Le Specifiche Richieste Potenza uguale o superiore a 1600 / 2000 CV Riduzione del peso Common Rail Riduzione della cilindrata Riduzione della corsa Possibilità di avere una doppia accensione Ottenere un rendimento possibilmente superiore al 35% Incremento del rapporto di compressione : da 7,3 a 15,5, tipico dei motori Diesel

4 La Potenza Ottenibile Dato il potere calorifico del gasolio e considerando il rendimento del motore pari a = 0,35, possiamo calcolare il consumo specifico : 1 q = = K i 245g/kWh Considerando la portata massima di combustibile iniettabile, compatibilmente con i moderni iniettori automobilistici, pari a 160 mm ³ e il numero di detonazioni orarie, tenendo conto dell aumento di velocità di rotazione ( da 2800 a 3800 rpm ) : 2 c n c d g ,9 P = = = 1608KW q In definitiva è possibile ottenere una potenza di 2187 CV, ben oltre i limiti del vecchio propulsore Poiché il 1900 JTD è in grado di erogare 160 CV, per ottenere come minimo 1600 CV è necessaria una cilindrata totale di cm³, indi per cui la minima cilindrata che ogni cilindro deve possedere sarà pari a 1583 cm³

5 Alla luce di quanto esposto, si è eseguito un processo iterativo per la determinazione delle caratteristiche necessarie : Si è fissato l alesaggio l pari a 142 mm, valore non eccessivamente piccolo per evitare di trovarsi di fronte a problemi eccessivi di ingombro ; di conseguenza sono state ricavate le due camere di combustione, di volume 102 cm³ a questo punto, noti il rapporto di compressione (15,5( 15,5) ) ed il volume nocivo (15,8( cm³) ), si è ottenuto : Cilindrata unitaria = (15,5 1) (15, ) = di conseguenza Corsa = 108mm 2 (142/2) π 1708cm 3

6 Le camere di combustione Le due camere sono posizionate lungo il perno di biella per evitare sbilanciamenti durante la combustione Ulteriore garanzia è fornita dalla precisione dei moderni iniettori, i quali raggiungono tolleranze di iniezione di 0,025 microsecondi La doppia combustione permette di elevare i parametri di sicurezza in quanto in caso di guasto di un impianto di iniezione, rimane in funzione il secondo che risulta indipendente dal primo

7 Scelta dei materiali Per la scelta del materiale si è optato per una lega d allumino d, precisamente la GD AlSi 9, in grado di garantire una certa leggerezza : Purtroppo le caratteristiche di tale lega non si prestano alle condizioni regnanti in camera di combustione, per cui si è dovuto apportare uno strato d acciaio d sul cielo del pistone : Pistone Bimetallico (ottenuto per fusione) Ricoprimento 30 WCrV 179

8 Verifiche resistenziali Dall analisi analisi agli elementi finiti il pistone ha superato tranquillamente le verifiche fatte per : bar (16MPa) bar (18MPa) bar (20MPa) L unico inconveniente si è presentato nella zona dello spinotto

9 Soluzione adottata Per ovviare all inconveniente si è adottato un raccordo particolarmente mirato al pistone in esame : PRIMA DOPO

10 Verifica finale Con il nuovo raccordo la verifica a 200 bar è stata superata

11 Albero a Gomiti L albero a gomiti è stato adattato alla nuova geometria e sono state verificate le forze in gioco alla nuova velocità di rotazione di 3800 rpm

12 Verifiche Torsionali Tramite l ausilio l di fogli di calcolo appositamente creati per tali verifiche, abbiamo potuto rilevare le tao armoniche presenti nel nuovo albero a gomiti rotante alla velocità di 3800 rpm : Sono stati riscontrati ben due ordini superiori ai limiti richiesti per la sicurezza di funzionamento, anche se lontani dal valore di minimo e di regime

13 Modifiche della Testata Nuova configurazione appiattita del cielo Raddrizzamento delle valvole per renderle ortogonali al cielo Nuova disposizione degli iniettori per evitare il contatto con l albero a camme Modellazione di uno dei due condotti di aspirazione per ottenere un efficace turbolenza

14 Dimensionamento di massima

15 Il Materiale Scelto Per il gruppo Basamento Cilindro - Testata si è optato per l utilizzo della ghisa, in particolare la C.G.I. (compacted graphite iron) ), le cui caratteristiche sono : Vantaggi Caratteristiche meccaniche migliori Maggiore lavorabilità per processi di fonderia Ottima resistenza alle alte temperature Svantaggi Maggior peso rispetto all alluminio alluminio

16 Soluzioni per incrementare la Potenza Massima Le soluzioni adottabili possono essere due : Incrementare la velocità di rotazione Aumentare la pressione in camera di combustione Se innalzando la velocità di rotazione è immediato il collegamento all incremento del numero di detonazioni orarie, per quanto riguarda a il secondo punto verranno mostrati i legami tra la pressione e la potenza p La pressione regnante in camera di combustione è somma di due termini : Pressione dovuta alla compressione Pressione dovuta alla combustione

17 Allo stato attuale il diagramma indicatore è il seguente : pv n = cost COMPRESSIONE kq = cost COMBUSTIONE Dove p è la pressione in funzione del rapporto di compressione, q è il combustibile per scoppio e n, k, sono costanti La variazione di potenza dipende dalla fase di combustione ed in particolare dalla quantità di combustibile iniettato q, il quale dipende dalla densità con cui viene iniettato il comburente : p In definitiva, aumentando la densità ingresso_motore = ingresso_motore aumenta q, il quale aumenta la pressione R T ingresso_motore dovuta alla combustione, la quale aumenta il lavoro utile agente sullo stantuffo ed in definitiva la POTENZA OTTENIBILE

18 Il Complessivo Manovellismo 12 Cilindri assemblato

19 LE CONCLUSIONI Alla luce di quanto esposto fin ora, possiamo affermare che : Con l ausilio l del moderno sistema di iniezione Common Rail è possibile sviluppare una potenza superiore ai 2000 CV Grazie alla doppia iniezione, alimentata indipendentemente l una dall altra altra, si è probabilmente incrementata la sicurezza Utilizzando materiali innovativi rispetto all epoca del DB 605 e riducendone la cilindrata, il peso complessivo del propulsore è stato pressoché dimezzato ( da 700 Kg a circa 350 Kg ) Si potrebbero incrementare anche le pressioni massime in camera di combustione L incremento della velocità di rotazione dell albero motore ha mostrato qualche complicanza di natura torsionale, ma ottimisticamente risolvibile ( aumento sezione resistente inserimento dispositivi elettronici )

20 Risultato Finale