Alcune considerazioni sulle reali possibilità di trasformazione di un motore aeronautico ad accensione comandata in accensione per compressione

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1 UNIVERSITA DEGLI STUDI DI BOLOGNA FACOLTA DI INGEGNERIA Corso di Laurea in Ingegneria Meccanica Disegno Tecnico Industriale Alcune considerazioni sulle reali possibilità di trasformazione di un motore aeronautico ad accensione comandata in accensione per compressione Relatore: Prof. Ing. Luca Piancastelli Correlatori: Prof. Ing. Gianni Caligiana Prof. Ing. Alfredo Liverani Tesi di laurea di:lorenzo Molinari

2 SCOPI DELLA TESI Conversione di un motore ad accensione per scintilla in accensione per compressione, destinato ad equipaggiare una replica del Macchi 205. Verifica delle possibilità di rimanere nello stesso campo di potenze originario, e limiti che si possono raggiungere. Valutazione della fattibilità del progetto e della resistenza alle sollecitazioni che regnano in camera di combustione

3 PERCHE' REALIZZARE LA TRASFORMAZIONE In campo aeronautico sono caratteristiche basilari di un motore: L alta affidabilità La sicurezza in caso di guasti e incidenti I consumi contenuti Le grandi potenze erogabili Il basso rapporto peso/potenza Il motore Diesel risponde ottimamente alle prime tre caratteristiche, ma è penalizzato nei confronti del motore a scintilla, per i suoi maggiori pesi a parità di potenza. Solo l evoluzione degli attuali sistemi di iniezione ha reso pensabile il loro impiego nel campo aeronautico delle medio-piccole potenze.

4 Il motore in studio : IL DAIMLER-BENZ 605 A CARATTERISTICHE TECNICHE : - motore a 4 tempi a ciclo Otto con 12 cilindri disposti a V di 60 invertito -cilindrata totale 35,7 litri -Alesaggio 154 mm -Corsa 160 mm - Potenza erogata 1450 CV -Peso a vuoto 700 kg -Lunghezza 2303 mm -Larghezza max 760 mm -Altezza max 1037 mm -Superficie frontale 0,42 m²

5 SPECIFICHE DI PARTENZA Per motivi commerciali e di semplicità di progettazione si è cercato di apportare il minor numero possibile di modifiche. In particolare le specifiche di base sono state: Mantenere il peso del pistone al valore originario di 1900 grammi Alzare il rapporto di compressione da 7,5 a 13 Mantenere corsa e alesaggio Produrre testata e pistone in lega di alluminio GD AlSi 9 mediante processo di pressofusione Utilizzare come modello per la nuova camera di combustione quella adottata sul motore FIAT 1900 JTD attualmente in commercio

6 POTENZA OTTENIBILE Date le proprietà del gasolio e assumendo come rendimento del motore 0,33, si può calcolare il consumo specifico : 1 c 247g/kWh K η i Rimanendo nel campo di potenza di circa 1500 CV ( circa1100 kw ),si può calcolare il consumo totale orario, e il volume di combustibile da iniettare per ogni detonazione: Q q P c 302kg/h n c Q d ρ g , 9 333mm 3 / det onazione Un moderno iniettore arriva a 160 mm³ per iniezione, quindi è inevitabile la scelta di adottate due iniettori per cilindro.

7 LE NUOVE CAMERE DI COMBUSTIONE L adozione di due iniettori per cilindro comporta la realizzazione di due distinte camere di combustione a bordo rientrante scavate sul cielo del pistone, sul modello di quella del JTD Le due camere sono posizionate lungo il perno di biella, per evitare sbilanciamenti in fase di combustione. Ulteriore garanzia per evitare questi sbilanciamenti è data dalla precisione dei moderni iniettori, che hanno tolleranze di iniezione di 0,025 microsecondi.

8 CONSEGUENZE DELLA SCELTA PRESA. Studio della migliore disposizione delle camere sul cielo del pistone (tra asse dell iniettore e centro della rispettiva camera ci sono 13 mm) Innalzamento del pistone dai 100 mm originali ai 120 mm attuali Realizzazione di uno scavo sotto il cielo del pistone per riportare il peso a 1900 grammi Abbandono della classica disposizione dell iniettore al centro delle valvole

9 MODIFICHE ALLA TESTATA Allungamento del cilindro per mantenere la stessa corsa Nuova configurazione piatta 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 a chiocciola per ottenere una efficace turbolenza

10 DIMENSIONAMENTO DI MASSIMA DEL GRUPPO BASAMENTO- CILINDRO-TESTATA OTTENUTO PER PRESSOFUSIONE STUDIO DELLA DISPOSIZIONE DEGLI INIETTORI

11 LE SOLLECITAZIONI CONSIDERATE La pressione massima a fine combustione è stata calcolata analiticamente, e poi corretta con i rilievi sperimentali ricavati per il JTD 1900 FIAT, e risulta pari a 9 MPa Anche per le sollecitazioni termiche si sono ripresi i risultati FIAT, andando ad adattare la mappa delle temperature della testata del JTD 1900, sia al cielo del pistone che a quello della testata.

12 ANALISI AGLI ELEMENTI FINITI PER IL PISTONE Si riportano l andamento delle sollecitazioni e del coefficiente di sicurezza per il pistone È evidente il fallimento del progetto, infatti nonostante le sollecitazioni siano modeste ( il picco è 450 MPa ), la lega d alluminio non mantiene le sue caratteristiche meccaniche alle temperature che regnano in camera di combustione ( fino a 247 C ).

13 ANALISI AGLI ELEMENTI FINITI PER LA TESTATA Di seguito si riportano l andamento delle sollecitazioni e il coefficiente di sicurezza per la testata: Analogamente al caso precedente la verifica è assolutamente insoddisfacente!

14 MOTIVI DEL FALLIMENTO Dall analisi dell andamento della tensione di snervamento e del modulo di Young in funzione delle temperature, si capiscono i limiti della lega GD AlSi 9 nel sopportare le sollecitazioni presenti in camera di combustione, alle temperature che si raggiungono. Per poter procedere nel progetto di trasformazione del motore è indispensabile cambiare la scelta dei materiali da utilizzare.

15 SOLUZIONE PER IL PISTONE La soluzione studiata per aumentare la resistenza del pistone,è continuare ad utilizzare la stessa lega leggera per limitare i pesi, ma apportando uno strato di acciaio che ne ricopra il cielo e le due camere di combustione per una profondità di 2 mm. L acciaio scelto è 30 WCrV 179 che presenta le seguenti caratteristiche: - Carico unitario di rottura a trazione 1400 MPa -Tensione di snervamento a 100 C 1080 MPa - Tensione di snervamento a 300 C MPa Le migliori proprietà del nuovo materiale sono garanzia di resistenza alle alte temperature, ma comportano un aumento di peso indesiderato È stato quindi indispensabile effettuare queste nuove modifiche al pistone mirate a riportare il peso al suo valore iniziale : -accorciamento di 9 mm della parte inferiore del mantello -accentuazione dello scavo già realizzato sotto il cielo -spessore del cielo ridotto a 4 mm di cui 2 mm in acciaio -due scavi simmetrici all altezza del perno di biella sul modello del JTD FIAT

16 Strato di acciaio 30 WCrV 179 Nuove modifiche apportate - Carico unitario di rottura a trazione 1400 MPa -Tensione di snervamento a 100 C 1080 MPa - Tensione di snervamento a 300 C 900 MPa Modello definitivo del pistone

17 NUOVA VERIFICA PER IL PISTONE Strato in Acciaio 30 WCrV 179 Con una pressione di 16 MPa

18 SOLUZIONE PER LA TESTATA Per la testata si è abbandonata definitivamente l idea della lega d alluminio, e si è tornati ad una più usuale ghisa, per la precisione una CGI ( compacted graphite iron ). Vantaggi: -maggiori pregi per processi di fonderia -caratteristiche meccaniche migliori -buon mantenimento delle caratteristiche alle alte temperature Svantaggi: -maggiori pesi ( si passa da 250 kg a 660 kg )

19 NUOVA VERIFICA PER LA TESTATA Usando la compacted graphite iron Con la pressione di 16 MPa

20 CONCLUSIONI Alla luce di quanto esposto possiamo dire che : Con l impiego del sistema di iniezione common rail è possibile rimanere nello stesso campo di potenze della versione originale del DB 605; La soluzione del pistone a doppia camera di combustione è realizzabile, anche se è bene considerare la verifica a 16 MPa come limite; La testata in ghisa CGI è perfettamente funzionale, il conseguente aumento di peso non preoccupa, poiché sulla replica non è previsto armamento, il che comporta un alleggerimento dell intero velivolo.