STUDIO ED OTTIMIZZAZIONE DI UN PISTONE PER UN MOTORE DIESEL AD ALTE PRESTAZIONI

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1 ALMA MATER STUDIORUM - UNIVERSITÀ DI BOLOGNA SECONDA FACOLTA DI INGEGNERIA CON SEDE A CESENA CORSO DI LAUREA IN INGEGNERIA MECCANICA Classe 10 Sede di Forlì ELABORATO FINALE DI LAUREA In Disegno Assistito dal Calcolatore STUDIO ED OTTIMIZZAZIONE DI UN PISTONE PER UN MOTORE DIESEL AD ALTE PRESTAZIONI CANDIDATO: Filippo Tognarelli RELATORE: Prof. Ing. Luca Piancastelli CORRELATORI: Prof. Ing. Vincenzo Dal Re Prof. Ing. Francesca De Crescenzio Anno Accademico 2008/09 III SESSIONE

2 OGGETTO DELLO STUDIO PROGETTO E VERIFICA DEI LIMITI DI UN PISTONE PER UN MOTORE DESTINATO ALL IMPIEGO AERONAUTICO

3 CARATTERISTICHE DEL PROPULSORE MOTORE DIESEL COMMON RAIL QUATTRO TEMPI ELEVATISSIMA POTENZA IN FASE DI DECOLLO ELEVATISSIMA POTENZA IN QUOTA POTENZE SPECIFICHE PER CILINDRO RILEVANTI ELEVATO NUMERO DI GIRI MOTORE ELABORAZIONE GRANDI MASSE D ARIA

4 OBIETTIVI DELLA TESI REALIZZAZIONE DEL PISTONE OTTENENDO : AFFIDABILITA LEGGEREZZA ANALISI TERMOSTRUTTURALE DI TIPO LINEARE

5 STUDIO DEL PISTONE VINCOLI PROGETTUALI - Alesaggio 150 mm - Corsa 30 mm - Giri motore rpm - Rapporto di compressione 7,5 : 1 - P max. in camera di combustione 250 bar VINCOLI STRUTTURALI - Quattro iniettori per cilindro - Forma della testata a tetto

6 MATERIALI CARATTERISTICHE NECESSARIE: - TEMPERATURE DI ESERCIZIO ELEVATE - RESISTENZE A CARICHI STRUTTURALI ELEVATI ALLUMINIO ACCIAIO INCONEL 718 SUPERLEGA (Nikel austenitico Cromo) PROPRIETÀ: - TEMPERATURE DI ESERCIZIO > 550 C - TEMPERATURA DI FUSIONE PARI A 1336 C - CARICO DI SNERVAMENTO 825 MPa - CARICO DI ROTTURA > 1200 MPa DENSITÀ 8190 kg/m 3

7 STUDIO TERMICO VALUTAZIONE DEI CARICHI TERMICI AGENTI SUL CIELO DEL PISTONE VALUTAZIONE DEI CARICHI TERMICI AGENTI SUL MANTELLO VALUTAZIONE DEI FLUSSI DI CALORE DOVUTI ALL ATTRITO CALORE SCAMBIATO CON IL LIQUIDO REFRIGERANTE MODELLO DI WOSCHNI q h i T g T p = 0,835 MW/m2 DATI DA SIMULAZIONE GTPower ELABORAZIONE SOFTWARE MATLAB 9 MISCELA OMOGENEA CONVEZIONE FRAZIONE DI CALORE TRASMESSO PER IRRAGGIAMENTO

8 VALUTAZIONE DEI CARICHI TERMICI SUL CIELO DEL PISTONE VALUTAZIONE DELLA PROPAGAZIONE FRONTE DI FIAMMA ( r) RAGGIO GENERICO Zone Raggio(mm) T parete ( C) Tg ( C) hg (W/m2 K) qg (MW/m2) Tg = cost h r R , ,35 MODELLO PARABOLICO h = variabile Tp = incognita h gas gas,max 2 10, , ,884-32, ,31 SUDDIVISIONE DEL CIELO IN 10 ZONE 0 2 DISTANZA MASSIMA INNESCO 4 32,826-43, , ,768-54, , ,710-65, , ,652-76, , ,594-87, , ,536-98, , , , ,74 Media pesata

9 VALUTAZIONE DEI CARICHI TERMICI SUL o MANTELLO FLUSSO DI CALORE DOVUTO ALLA CONVEZIONE DEI GAS Zone Distanze mm h (W/m2 K) tg ( C) tpc ( C) q (MW/m2) I valori ricavati attraverso questo modello per la prima zona non tengono conto della propagazione della fiamma, quindi risultano più elevati di quelli calcolati per la zona adiacente del cielo. Per non introdurre una discontinuità h( x) h( ) f ( x, ) d a 0-37, eccessiva si è ritenuto 189più corretto applicare 0,48 alla prima zona le stesse condizioni di scambio della zona periferica della testata. Si ipotizza inoltre una distribuzione lineare di b 37,3-52,3 399 temperatura lungo il mantello da 190 a 115 C ,19 SUDDIVISIONE DEL MANTELLO IN 4 ZONE c 52,3-67, ,06 d* 67, ,00014

10 COEFFICIENTE D ATTRITO f b s d 1 d FLUSSO DI CALORE DOVUTO 1 exp p E ALL ATTRITO s Definizione delle zone di contatto d del metallo dc u DEFINIZIONE ZONE DI CONTATTO TEORIA DI HERTZ 075 dc u coeff di attrito statico; coeff di attrito dinamico; coeff di decadimento; velocità del pistone, (m/s) Zone Posizione assiale (mm) Larghezza zona di contatto 2 b1 (mm) s 1. Deq b 37,3-83,3 28 c 43,44-89,24 24 d 49,58-95,38 32 e 55,71-101,71 40 f 61,85-107,3 28 SEMILARGHEZZE DI CONTATTO

11 VALUTAZIONE FLUSSI TOTALI NELLE ZONE Flusso di calore sul metallo VALUTAZIONE (attrito FLUSSI + convezione) SCAMBIATI NELLE Zone Posizione assiale mm FASCE ELASTICHE b 493 Flusso di calore nella zona delle fasce c % del flusso di calore scambiato (attrito+convezione) attraverso fasce e mantello è sottratto dall olio d Calore scambiato 256 in ogni fascia qf Fasce (w) e 181 Fascia IL LIQUIDO REFRIGERANTE Fascia f Fascia Totale Il pistone analizzato è raffreddato da un getto costante di olio ad una temperatura di 50 C Totale e ad una pressione di bar che, grazie appunto al continuo ricambio, assicura una temperatura costante della superficie inferiore del pistone molto contenuta,ma che non sarà mai pari a 50 C. VALUTAZIONE CALORE SCAMBIATO CON Nell analisi FEM del pistone si imposterà una temperatura superficiale della parte inferiore del pistone pari a 110 C

12 ANALISI TERMO-STRUTTRALE Metodo agli elementi finiti (FEM) Per questa analisi è stato utilizzato un software commerciale, ANSYS Workbench 11.0, che consente di eseguire simulazioni termiche e strutturali. ANALISI STATICO STRUTTURALE ANALISI TERMICA STAZIONARIA VALUTAZIONE RISULTATI PRIMO PASSO RETICOLATURA

13 ANALISI STRUTTURALE IMPOSTAZIONE VINCOLI IMPOSTAZIONE SIMMETRIA IMPOSTAZIONE PRESSIONE 250 bar 220 bar CAMERA DI COMBUSTIONE CIELO VALUTAZIONE DEI RISULTATI OTTENUTI σeq VonMises < 820 MPa CS > 1 IN TUTTA LA STRUTTURA

14 ANALISI TERMICA IMPOSTAZIONE COEFF. DI CONVEZIONE TERMICA NEL CIELO IMPOSTAZIONE COEFF. DI CONVEZIONE TERMICA NEL MANTELLO IMPOSTAZIONE FLUSSI TERMICI ZONE D ATTRITO IMPOSTAZIONE FLUSSI TERMICI FASCE ELASTICHE IMPOSTAZIONE TEMPERATURA LIQUIDO REFRIGERANTE IMPOSTAZIONE SIMMETRIA TERMICA VALUTAZIONE DEI RISULTATI T max < 550 C

15 VALUTAZIONE GLOBALE RISULTATI VA FATTO INFINE UN INCROCIO DEI DATI OTTENUTI PER VERIFICARE CHE ALLE TEMPERATURE RAGGIUNTE DAL PISTONE NON VI SIANO SCADIMENTI DEL COMPORTAMENTO DEL MATERIALE σeq VonMises < 1070 MPa

16 CONCLUSIONI AL TERMINE DI QUESTO PERCORSO SI PUO DUNQUE AFFERMARE CHE IL PISTONE PROGETTATO PUO SOPPERIRE ALLE CONDIZIONI DI ESERCIZIO CHE IL MOTORE IN ESAME RICHIEDE SVILUPPI FUTURI SI RIMANDA A SUCCESSIVI STUDI LO SVILUPPO DELLA TESTATA E DI ALTRI COMPONENTI DEL MOTORE IN ESAME

17 GRAZIE PER L ATTENZIONE