ANALISI DELLE VARIABILITÀ INTRODOTTE DAL PROCESSO PRODUTTIVO SULLE CARATTERISTICHE FLUIDODINAMICHE DI TESTE MOTORE

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1 ALMA MATER STUDIORUM UNIVERSITA DI BOLOGNA SECONDA FACOLTA DI INGEGNERIA CORSO DI LAUREA IN INGEGNERIA MECCANICA Sede di Forlì ELABORATO FINALE DI LAUREA In disegno assistito dal calcolatore ANALISI DELLE VARIABILITÀ INTRODOTTE DAL PROCESSO PRODUTTIVO SULLE CARATTERISTICHE FLUIDODINAMICHE DI TESTE MOTORE CANDIDATO Greppi Filippo RELATORE Prof. Ing. Luca Piancastelli CORRELATORI Dott. Ing. Manlio Mattei Dott. Ing. Marcello Guizzetti Anno Accademico 2005 / 2006 Seconda sessione

2 1) Misura della variabilità delle caratteristiche fluidodinamiche introdotte dai processi produttivi. 2) Misura dell influenza delle differenze fluidodinamiche, acquisite dal primo obbiettivo, sulle prestazioni del motore in termini di emissioni inquinanti allo scarico. 3) Definizione della geometria dei condotti di aspirazione e scarico delle teste, che garantiscono delle corrette prestazioni fluidodinamiche. 4) Eventuali correzioni ai processi produttivi ai fini di ridurre la variabilità delle prestazioni fluidodinamiche responsabili di una variabilità delle emissioni inquinanti allo scarico.

3 Teste singole

4 1 LE TESTE DEI MOTORI SAME Attualmente vengono montati quattro modelli di teste: - Teste per motori E1 aspirati - Teste per motori E1 turbo - Teste per motori E2 aspirati - Teste per motori E2 turbo e turbo intercooler Differenze fra teste per motori aspirati e turbo: TURBO ASPIRATI

5 1 LE TESTE DEI MOTORI SAME Differenze fra teste per motori E1 ed E2: Le teste dei motori E2 differiscono dalle teste dei motori E1 solo per la geometria del condotto di aspirazione che è stato modificato per ridurre la turbolenza dell aria a fronte di un nuovo impianto di iniezione ed una nuova camera di combustione. Attualmente ci sono tre fornitori di teste cilindro grezze per i motori SAME DEUTZ-FAHR GROUP: - SA.BI. che è il fornitore di riferimento fornitore A - CIMOS che al momento è in valutazione per una futura fornitura fornitore B - MENON & MENON che implementa la fornitura di teste per motori E1 fornitore C

6 IL BANCO DI FLUSSAGGIO

7 2 Misura dei parametri fluidodinamici caratteristici delle teste dei motori Diesel L INDICE DI SWIRL Movimento rotatorio dell aria su di un piano circonferenziale determinato dalla componente tangenziale della velocità del fluido che entra nel cilindro. Tale vortice permette di miscelare l aria in ingresso con il gasolio iniettato.

8 2 Misura dei parametri fluidodinamici caratteristici delle teste dei motori Diesel IL COEFFICIENTE D EFFLUSSO Parametro fondamentale che caratterizza il moto di un fluido attraverso una certa sezione. C eff m m reale teorica

9 2 Misura dei parametri fluidodinamici caratteristici delle teste dei motori Diesel Confronto fra teste del fornitore A e teste del fornitore C per motori E1 aspirati E1 (ASP) A (SA.BI.) MEDIE C (M. & M.) Δ medie DEVIAZIONI STANDARD A (SA.BI.) C (M. & M.) SWIRL 2,423 2,318-4% 0,118 0,065 Coefficiente d efflusso 0,362 0,368 +2% 0,010 0,006

10 2 Misura dei parametri fluidodinamici caratteristici delle teste dei motori Diesel Confronto fra teste per motori E1 aspirati e teste per motori E2 aspirati di uno stesso fornitore (A) A (SA.BI.) MEDIE DEVIAZIONI STANDARD Δ medie E1 E2 E1 E2 SWIRL 2,423 1,828-25% 0,118 0,094 Coefficiente d efflusso 0,362 0,388 +7% 0,010 0,004

11 2 Misura dei parametri fluidodinamici caratteristici delle teste dei motori Diesel Confronto fra teste per motori aspirati e teste per motori turbo e turbo intercooler di uno stesso fornitore (A) A (SA.BI.) MEDIE DEVIAZIONI STANDARD Δ medie E2 asp. E2 turbo E1 E2 SWIRL 1,828 1,727-6% 0,094 0,073 Coefficiente d efflusso 0,388 0,376-4% 0,004 0,006

12 2 Misura dei parametri fluidodinamici caratteristici delle teste dei motori Diesel Confronto fra teste del fornitore A e teste del fornitore B per motori E2 turbo E2 (TURBO) A (SA.BI.) MEDIE B (CIMOS) Δ medie DEVIAZIONI STANDARD A (SA.BI.) B (CIMOS) SWIRL 1,727 2, % 0,073 0,076 Coefficiente d efflusso 0,376 0,368-2% 0,006 0,002

13 Schematizzazione di un getto di combustibile iniettato in aria con moto turbolento.

14 3 Influenza sulle emissioni allo scarico delle variabilità fluidodinamiche Misura delle emissioni inquinanti allo scarico del motore con teste dei due fornitori: - Motore tre cilindri E1 aspirato teste del fornitore A (α) e del fornitore C (β). - Motore tre cilindri E2 turbo teste del fornitore A (γ) e del fornitore B (δ). Procedura di misura: - Le teste utilizzate replicano le prestazioni fluidodinamiche medie dei fornitori. - Stessa sporgenza iniettore in entrambe le configurazioni del motore.

15 3 Influenza sulle emissioni allo scarico delle variabilità fluidodinamiche EMISSIONI DEI MOTORI E1 Prestazioni fluidodinamiche delle teste del fornitore A (riferimento) e del fornitore C E1 (ASP) A (SA.BI.) MEDIE C (M. & M.) Δ medie DEVIAZIONI STANDARD A (SA.BI.) C (M. & M.) SWIRL 2,423 2,318-4% 0,118 0,065 Coefficiente d efflusso 0,362 0,368 +2% 0,010 0,006 Emissioni allo scarico in relazione alle prestazioni fluidodinamiche delle teste dei due fornitori MOTORE E1 ASPIRATO CONFIGURAZIONE a (SA.BI.) b (M.& M.) Δ LIMITI FASE I 37 P < 75 KW CO g/kwh 3,43 3,58 + 4,4 % 6,5 HC g/kwh 0,82 0,85 + 3,7 % 1,3 NOX g/kwh 6,95 7,37 + 6,0 % 9,2 Particolato g/kwh 0,502 0,487-3,0 % 0,85

16 3 Influenza sulle emissioni allo scarico delle variabilità fluidodinamiche EMISSIONI DEI MOTORI E2 Prestazioni fluidodinamiche delle teste del fornitore A (riferimento) e del fornitore B E2 (TURBO) A (SA.BI.) MEDIE B (CIMOS) Δ medie DEVIAZIONI STANDARD A (SA.BI.) B (CIMOS) SWIRL 1,727 2, % 0,073 0,076 Coefficiente d efflusso 0,376 0,368-2% 0,006 0,002 Emissioni allo scarico in relazione alle prestazioni fluidodinamiche delle teste dei due fornitori MOTORE E2 TURBO CONFIGURAZIONE g (SA.BI.) d (CIMOS) Δ LIMITI FASE II 37 P < 75 KW CO g/kwh 1,96 1,81-7,4 % 5 HC g/kwh 0,32 0,34 + 5,4 % 1,3 NOX g/kwh 6,15 7, ,8 % 7,0 Particolato g/kwh 0,304 0, ,8 % 0,4

17 OBBIETTIVO ORIGINARIO Definizione delle matematiche dei condotti di aspirazione e scarico delle teste, che garantiscono delle corrette prestazioni fluidodinamiche. Corrette PRESTAZIONI FLUIDODINAMICHE: PRESTAZIONI FLUIDODINAMICHE del condotto di aspirazione in grado di far ottenere le minime emissioni inquinanti allo scarico del motore, attraverso una opportuna miscelazione aria-combustibile.

18 4 Definizione delle matematiche dei condotti NOUVO OBBIETTIVO Definire le matematiche dei condotti di aspirazione e scarico delle teste dei motori E2 che sviluppano delle prestazioni fluidodinamiche uguali a quelle del fornitore A, considerato il riferimento SOLUZIONE ADOTTATA Progettazione e successive modifiche di un flow-box per determinare le matematiche dei condotti che replicano le prestazioni del fornitore di riferimento

19 4 Definizione delle matematiche dei condotti IL FLOW-BOX: Scatola di resina dalle dimensioni di ingombro pari a quelle di una testa vera al cui interno sono ricavati solo ed esclusivamente i due condotti di aspirazione e scarico, riprodotti fedelmente a quelli originali. Possibilità di apertura della scatola sulla linea di divisione dei condotti Possibilità lavorazione delle superfici dei condotti tramite un procedimento CAD-CAM mantenendo in memoria la matematica della modifica

20 4 Definizione delle matematiche dei condotti PROCEDIMENTO DI REVERSE ENGINEERING

21 4 Definizione delle matematiche dei condotti Dieci sezioni del il condotto di aspirazione: - Sei sezione sulla parte a chiocciola del condotto - Quattro sezioni sulla parte del condotto che raccorda la chiocciola con la bocca d ingresso dell aria Dieci sezioni del il condotto di scarico: - A step regolari su tutta la lunghezza del condotto

22 4 Definizione delle matematiche dei condotti Acquisizione delle coordinate dei punti ottenuti discretizzando i perimetri generati dalle intersezioni dei piani di sezione con i condotti

23 4 Definizione delle matematiche dei condotti

24 4 Definizione delle matematiche dei condotti Per ottenere i condotti in forma parametrica sono state ricostruite le figure geometriche che compongono i condotti entro le sezioni disegnate nella precedente attività.

25 4 Definizione delle matematiche dei condotti Finita la modellazione dei condotti è stato progettato il flow-box al cui interno sono state inserite le matematiche dei condotti e le lavorazioni per inserire i guidavalvola, i seggi valvola e le molle

31 4 Definizione delle matematiche dei condotti REVERSE ENGINEERING CONDOTTI DEL FORNITORE B (CIMOS) FLOW-BOX condotti CIMOS Media delle teste del fornitore B Flow-box Δ SWIRL 2,043 2,004-2% Coefficiente d efflusso 0,368 0, % REVERSE ENGINEERING CONDOTTI DEL FORNITORE A (SA.BI.) FLOW-BOX condotti SA.BI. Media delle teste del fornitore A Flow-box Δ SWIRL 1,727 1,679-3% Coefficiente d efflusso 0,376 0, %

32 Attualmente il fornitore B (CIMOS) sta aggiornando le casse d anima dei condotti di aspirazione e scarico con le matematiche corrette che gli abbiamo inviato. In un futuro molto prossimo la fonderia B produrrà un pre-lotto di duecento nuove teste, sulle quali verificheremo: - le coordinate dei punti significativi della geometria dei condotti per vedere se effettivamente i pezzi finiti rispecchiano le specifiche di disegno, - le prestazioni fluidodinamiche, - se le emissioni inquinanti dei motori con queste nuove teste rientrano nelle aspettative di media e deviazione standard

33 Definizione delle specifiche fluidodinamiche delle teste attualmente in produzione Correlazione fra la fluidodinamica dei condotti e le emissioni allo scarico INCREMENTO DEL KNOW-HOW DELL AZIENDA

34 DEFINIZIONE DELLE MATEMATICHE DEI CONDOTTI DELLE TESTE DEI MOTORI E2 Normazione di un oggetto che prima non aveva nessun tipo di controllo né dimensionale né fluidodinamico. In questo modo si fissa un parametro molto importante sulle emissioni allo scarico. Possibilità per la fonderia di sostituzione delle casse d anima usurate senza introduzione di errori. Vantaggio per le fonderie dei paesi in via di sviluppo che possono fissare un parametro che prima poteva essere variabile riducendo i costosi e problematici interventi in siti produttivi lontani dalla sede centrale.

35 Un Desidero enormeringraziare ringraziamento la SAME va ai DEUTZ-FAHR signori Ugo Butti GROUP e Maurizio S.p.A. per Nossa avermi perdato aver l opportunità messo a mia disposizione svolgere lole stage loro conoscenze nel propriotecniche reparto sugli Ricerca argomenti & Sviluppo, affrontati, per mettendomi il tempo che a mi disposizione hanno dedicato gli strumenti e per avermi necessari fornito pergli il strumenti buon esitoche di mi questo sonolavoro. serviti Ringrazio per il buon in esito particolare di questa i miei tesi. correlatori, l ing. Manlio Un Mattei enorme e l ing. grazie Marcello va anche Guizzetti a tutti gli perché altri componenti nonostante idel loro reparto innumerevoli R&D motori, impegni a tutto si lo sono staffsempre del reparto resi sperimentazione disponibili, motori, i loro epreziosi tutti quelli consigli chee per a vario avermititolo stimolato hannoa collaborato dare semprefornendomi il meglio. concreti supporti. Desidero Ringrazioringraziare anche il mio anche relatore, i miei l ing. genitori Luca e i miei Piancastelli, zii per aver per la sempre sua disponibilità. creduto in me e per tutto quello che hanno fatto permettendomi di raggiungere questo importante traguardo. Ringrazio anche gli amici di sempre e i compagni di università Lorenzo e Amedeo per la loro compagnia e per tutte le volte che mi hanno ospitato a casa loro. Infine, ma non da ultima, ringrazio Tamara che ha reso più lievi le mie fatiche durante tutta la durata degli studi.