UNIVERSITA DEGLI STUDI DI BOLOGNA

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1 UNIVERSITA DEGLI STUDI DI BOLOGNA FACOLTA DI INGEGNERIA Corso di Laurea in Ingegneria Meccanica Disegno Tecnico Industriale STUDIO, MODELLAZIONE ED ANALISI DI UNA FUSIONE PER GRUPPO TESTATA CILINDRO DI UN MOTORE AERONAUTICO DIESEL COMMON RAIL Tesi di laurea di: ALEX SPINELLI Relatore: Prof. Ing. LUCA PIANCASTELLI Correlatori: Prof. Ing. FRANCO PERSIANI Prof. Ing. ALFREDO LIVERANI

2 Scopo della tesi è lo studio di fattibilità di un gruppo testata cilindro per motore aeronautico con l ausilio di programmi che effettuano l analisi agli elementi finiti. Questo lavoro si inserisce nel progetto di costruire e certificare un motore diesel common rail a sei cilindri da 6 litri.

3 Modellazione del gruppo testata cilindro a partire da un sistema di combustione esistente Determinazione della geometria dei canali di raffreddamento e calcolo del flusso di calore medio Individuazione dei carichi agenti a regime di massima potenza Verifica agli elementi finiti della testata Modellazione del modello da fonderia, anime e relative casse d anima

4 Caratteristiche di un motore avio: Affidabilità Peso e dimensioni Soluzioni costruttive semplici Riduzione del numero di componenti Motore boxer: permette una maggiore versatilità di montaggio Basso consumo di carburante Impiego del motore Diesel Prestazioni Indipendenza delle prestazioni dalla quota di volo Adozione del common rail Impiego del turbocompressore

5 Vantaggi: Raffreddamento ad liquido Minori temperature di funzionamento maggior coefficiente di riempimento minori carichi termici sulla testata e sulle valvole Minore rumorosità di esercizio Minori ingombri dimensionali Svantaggi: Peso superiore del 15-30% rispetto ai motori raffreddati ad aria di eguale potenza La temperatura di regime viene raggiunta in un tempo superiore Problemi alle basse temperature ed alle alte quote

6 Il calcolo del flusso di calore medio In fase di progetto è necessario calcolare la quantità di calore da asportare attraverso il liquido refrigerante Utilizzando le formule del libro Motori a combustione interna dell Ing. Ferrari, ho calcolato il flusso di calore medio secondo la teoria di Annand: Q& = KJ h Si ottiene la portata in volume di soluzione acqua glicoletilenico necessaria, imponendo un salto termico tra l entrata e l uscita dal cilindro. V r = 1, 37 I condotti di entrata e uscita assicurano una velocità del fluido inferiore ai 3 m/s l s

7 Lo studio dei condotti di raffreddamento deve essere accurato per: Assicurare che tutte le zone maggiormente sollecitate termicamente siano adeguatamente raffreddate. (Sedi valvole, cavità elettroiniettore e collettore carburante, condotte di aspirazione e scarico) Evitare il trattenimento di bolle d aria o di vapore che andrebbero a influire negativamente sul coefficiente di convezione Evitare che i condotti presentino risacche o punti di ristagno del liquido

8 IL FLUSSO DEL LIQUIDO DI RAFFREDDAMENTO USCITA INGRESSO USCITA INGRESSO

9 In fase di progetto sono state prese in considerazioni le seguenti priorità: 1. Funzionalità 2. Semplicità di realizzazione tecnologica 3. Economia

10 Camicia del cilindro Prigionieri Condotti di aspirazione e scarico Geometria base della testata

11 Carichi principali che agiscono sul pezzo Pressione in camera di combustione pari a 13,5 MPa Forza laterale ( Forza di reazione al contatto tra cilindro e pistone) Carichi termici La pressione in camera di combustione genera uno stato tensionale di trazione sul volume individuato dalla camicia del cilindro

12 La forza laterale genera un momento flettente che alla base del cilindro assume il valore massimo pari a 1019 Nm σ La parte più sollecitata del cilindro risulta il volume in prossimità della piastra di base. = σ σ p 1 + Q = = 93 Mpa Il limite a fatica pulsante per il pezzo risulta essere: σ schn = σ sch b s b0 = 240 0,9 1 = 216 Mpa Il coefficiente di sicurezza risulta pari a: S σ = schn σ vd = 216 = 93 2,3

13 I prigionieri Si considera che si scaricano sui carter attraverso i prigionieri le seguenti forze: pressione agente in camera di combustione che causa una forza per ogni bullone pari a N forza di contatto laterale tra pistone e cilindro, producente un momento pari a 1019 Nm, che causa una distribuzione non uniforme delle forze sui prigionieri I prigionieri più caricati risultano i numeri 4: F B4 = N F V = 2,25 F B = N M serraggio = 76 Nm

14 Ho scelto 8 prigionieri M12 I prigionieri devono essere verificati contro la rottura a fatica a sollecitazione dinamica Da grafico riportato nel testo Elementi di macchine a cura di Neiman si trova un valore del rapporto di forze C k pari a 0,3 si può conoscere F diff,, quindi la tensione di escursione: F Diff σ max σ 4 min 684 σ a = = = = 31 2 A 2 76,2 2 3 MPa σ A 100 aamm = = 50 S D 2 = σ Mpa σa per vite 10.9 bonificata e poi rullata = 100 MPa Si ha quindi: σ a < σ a amm

15 Poi bisogna verificare la sicurezza contro lo strappo del filetto e la deformazione dell appoggio data da: (pa pressione di contatto) p A = F A V A p am A A è la superficie di appoggio minima efficace nel dado, che risulta essere pari a 237 mm 2. p A = 148 MPa < 750 MPa

16 IL MATERIALE Per la prima realizzazione di testata e cilindro è stata scelta la seguente ghisa sferoidale: GS UNI 4544 Le caratteristiche del materiale sono le seguenti: - carico di rottura(mpa): carico di snervamento(mpa): coef. dilatazione termica lineare( K -1 ): 12,5* coef. conduttività termica(w/m K): 36,2 - modulo elastico(mpa): coef. di Poisson: 0,275 - peso specifico(kg/m 3 ): ritiro lineare: 1,5% (per la ghisa 35)

17 L analisi agli elementi finiti La semplificazione del modello La reticolatura I carichi L analisi strutturale L analisi dei risultati

18 LA RETICOLATURA I carichi: La pressione in camera di combustione pari a 13,5 Mpa La forza laterale di 8840 N

19 I RISULTATI DELL ANALISI Le linee di forza si concentrano vicino ai fori dei prigionieri σ max = 142 MPa

20 Modello per l analisi della camera di combustione pressione distribuita in camera di combustione pari a 13,5 MPa forza distribuita sulle sedi valvole pari a N

21 I RISULTATI Tensioni di Von - Mises Tensioni massime principali Tensioni minime principali σ max = 90 MPa

22 IL CAMPO TERMICO Dato un flusso termico pari a 0,57 kj/s mm 2 T media = 530 K T max = 640 K

23 Il gruppo testa cilindro viene realizzato in un unica fusione monolitica. Comporta una maggiore libertà nella modellazione delle condotte Eliminazione della guarnizione della testa Minor numero di pezzi maggiore affidabilità Tecnica consolidata nei motori avio

24 Il punto di partenza è stata la disposizione delle valvole sulla superficie interna della camera di combustione 3 Bilanciere 4 Perno 5 Supporto

25 I condotti di aspirazione I due condotti hanno funzioni diverse: uno genera essenzialmente lo swirl l altro porta la carica

26 I condotti di scarico Devono avere un andamento molto regolare per diminuire le perdite per attrito

27 Sono stati realizzati la sede per l iniettore per l iniettore e il collettore carburante Collettore carburante Sede iniettore

28 Una vista di tutti i condotti Scarico Aspirazione Raffreddamento Sedi iniettore e collettore carburante

29 Il pezzo finale Fori fissaggi supporto bilancieri Fori passaggio aste Uscita liquido di raffreddamento Fori fissaggio iniettore Aspirazione Scarico Piastra di collegamento Ingresso liquido di raffreddamento

30 Isolando le parti da lavorare, aggiungendo opportuni sovrametalli si è ottenuto il grezzo di fonderia

31 IL MODELLO DA FONDERIA Dal grezzo aggiungendo le relative portate d anima si ricava il modello e quindi, i due semimodelli

32 La realizzazione delle anime Anima che realizza i condotti di scarico Metodo della cassa d anima Metodo del raffetto

33 LE ANIME DEI CONDOTTI DI RAFFREDDAMENTO

34 Complessivamente si ottengono 2 anime da posizionare nella forma

35 Il posizionamento delle anime nella forma Portata d anima

36 Il coperchio Il lubrificante esce dalla testata attraverso i fori praticati per il passaggio delle aste Foro entrata lubrificante

37 L ASSEMBLAGGIO GLI INGOMBRI

38 Conclusioni Pro E possibile realizzare un gruppo testa-cilindro monolitico resistente alle pressioni in camera di combustione tipiche dei diesel common rail ad alte prestazioni Contro Il gruppo realizzato in Ghisa GS 400 è piuttosto pesante: circa 12 kg Si può ridurre il peso lavorando sulla geometria Si può ridurre il peso utilizzato una ghisa di migliori prestazioni (SiMo) oppure con una cofusione di alluminio ed acciaio