Università degli Studi di Bologna SECONDA FACOLTA DI INGEGNERIA CON SEDE A CESENA Corso di laurea in Ingegneria Aerospaziale Sede di Forlì ELABORATO FINALE DI LAUREA IN Disegno tecnico industriale STUDIO PRELIMINARE DEL GRUPPO TESTATA DI UN MOTORE DIESEL COMMON RAIL PER USO AERONAUTICO Candidato: Gianluca Panzacchi Relatore: Prof. Ing. Luca Piancastelli
Obbiettivo della tesi Lo scopo del seguente elaborato è quello di progettare un motore diesel Common Rail per ultraleggeri partendo dal motore per autotrazione FIAT 1900 JTD. Le caratteristiche imposte di progetto del motore sono: Numero dei cilindri ridotto da 4 a 3 ; Rapporto corsa / alesaggio minore di 1 (motore Superquadro) ; Mantenimento dei pistoni originali Fiat alesaggio 82 mm ; Manovelle disposte a 180 ; Potenza 120 cv @ 5000 g/min ; Peso da contenere in 100 kg.
Confronto tra propulsori aeronautici e per autotrazione Le principali differenze progettuali tra un motore per l aeronautica e un motore per l autotrazione sono le seguenti: Rigorosa attenzione ai pesi ; Minimizzazione degli ingombri ; Ricerca della massima affidabilità; Il comportamento del motore nei transitori non riveste un elevata importanza. Quindi durante la progettazione si deve tenere conto anche di queste caratteristiche intrinseche che ha il settore aeronautico
Presentazione del motore di partenza Caratteristiche Tecniche : Cilindrata : 1910 cm³ ; Numero di cilindri : 4 ; Valvole per cilindro : 2 ; Alesaggio e corsa : 82 e 90,4 mm ; Potenza : 77 kw (105 CV) @ 4000 g/min ; Coppia massima : 250 N m @ 2000 g/min ; Alimentazione : Iniezione diretta Common Rail Bosch 1400 bar, sovralimentazione mediante turbocompressore a geometria fissa e interrefrigerazione mediante scambiatore aria-aria ; Basamento : Ghisa sferoidale ; Testata: Alluminio.
Equilibratura del motore Il motore di partenza Fiat 1900 JTD è un 4 cilindri in linea con le manovelle a 180, quindi analizzando la relazione delle forze d inerzia notiamo: F i 2 r M r cos cos 2 l Dove: M Massa del gruppo pistone ω Velocità di rotazione ; r Raggio di manovella ; α Angolo di manovella ; l Lunghezza della biella. Esso è equilibrato almeno per la componente del primo ordine. Quindi eliminando un cilindro (2) otteniamo un motore non più equilibrato. Università degli Studi di Bologna A.D. 1088
Equilibratura del motore Quindi per equilibrare il motore nella nuova configurazione a 3 cilindri in linea con manovelle a 180 abbiamo pensato di: Raddoppiare la massa del pistone centrale ottenendo: r r 2M 2 r cos cos2 2M 2 r cos cos 2 3 l l F i cil Abbiamo quindi equilibrato le forze di inerzia mantenendo le manovelle a 180. 0 N.B. Quando parliamo della massa del pistone teniamo presente anche 1/3 della massa di biella, in quanto come semplificazione consideriamo che 1/3 di biella ha moto rettilineo e 2/3 della biella ha moto rotativo
Gruppo albero, bielle, pistoni Inserto in tungsteno al fine di raddoppiare il peso del pistone centrale. Immagine del gruppo pistoni, bielle e albero motore, nella nuova configurazione a 3 cilindri.
Albero motore L albero motore è stato progettato partendo da quello del 1900 JTD, ma da esso si differenzia nel raggio di manovella, nel numero di manovelle, e nell equilibratura statica delle due maschette della manovella centrale.
Biella e pistone La nuova biella presenta delle caratteristiche progettuali analoghe alla biella del 1900 JTD, ma si differenzia per quanto riguarda la lunghezza portata a 150 mm per mantenere il rapporto λ = r/l compreso tra 0.22-0.30, valore ottenuto 0.226 Il pistone è rimasto uguale a quello del 1900 JTD, con lo scopo principale di limitare i costi di una eventuale produzione del motore.
Altri componenti del gruppo albero motore, biella e pistoni Anelli di tenuta, i primi due servono a convogliare il calore dal pistone alla parete del cilindro e ad evitare il blow-by, il terzo è invece l anello raschiaolio. Spinotti, lo spinotto senza inserto è dei cilindri 1 e 3, lo spinotto con inserto è del cilindro 2. Anelli seeger servono a bloccare lo spinotto del pistone, le bronzine sono in materiali sinterizzati, e vengono installate tra biella e spinotto e biella e albero motore.
Gruppo testata Il gruppo testata è stato progettato partendo dalla testata del 1900 JTD privata di una camera di combustione. I condotti di aspirazione e di scarico non sono stati modificati rispetto alla testata del 1900 JTD, anche per il diagramma dell albero a camme sono stati mantenuti i valori del 1900 JTD, al fine di contenere gli ingombri e i pesi si è scelto di installare la pompa del liquido refrigerante nella testata.
Testata
Distribuzione Per la progettazione della distribuzione abbiamo scelto di disporre l albero a camme in testa il quale comanda direttamente le valvole senza l utilizzo di bilancieri, questa scelta è stata effettuata con lo scopo di mantenere una elevata semplicità costruttiva e quindi anche un contenimento dei costi.
Collettori Collettore di aspirazione Il collettore di aspirazione è stato progettato mantenendo l area della sezione uguale a quella dei collettori del 1900 JTD, ma si è cercato di contenere le dimensioni Collettore di scarico Il collettore di scarico invece è completamente differente rispetto a quello del 1900 JTD, in quanto il campo di utilizzo del motore in aeronautica è molto differente rispetto all autotrazione.
Complessivo gruppo testata, albero motore e pistoni.
Complessivo del motore Immagine del motore sia nella configurazione esploso che come complessivo, in entrambe le immagini possiamo notare anche le scelte effettuate per posizionare gli accessori e il riduttore al fine d ottimizzare gli ingombri.
Prestazioni e caratteristiche tecniche Le prestazioni e le caratteristiche tecniche del motore progettato sono: Numero di cilindri : 3 in linea con manovelle a 180 ; Numero di valvole : 2 per cilindro ; Alesaggio x corsa : 82 x 68.3 mm ; Cilindrata unitaria : 360.51 cm³ ; Cilindrata totale : 1081.53 cm³ ; Potenza : 88.2 kw (120 CV) @ 5000 g/min ; Velocità media del pistone al regime di potenza massima : 11.4 m/s ; Alimentazione : Iniezione diretta Common Rail Bosch con pressione di iniezione a 1400 bar, sovralimentazione mediante turbocompressore a gas di scarico e a geometria fissa con interrefrigerazione mediante scambiatore aria-aria; Consumo specifico al regime di potenza massima : 0.160 kg/kwh ; Rapporto peso potenza : 0.882 kg/kw ; Peso : 101 kg ; Basamento : Lega di Alluminio GD AlSi 9 MgMn ; Testata : Lega di alluminio A535.
Confronto tra propulsori Diesel e a ciclo Otto per ultraleggeri. Per questo confronto ho preso in esame il motore Rotax 914 UL/F che sviluppa una potenza di 84.5 kw (115 cv) e che al giorno d oggi rappresenta uno dei più diffusi motori per ultraleggeri. Motore Diesel Common rail 3 cilindri Motore Rotax 914 UL/F Potenza 88.2 kw (120 cv) 84.5 kw (115 cv) Cilindrata 1082 cm³ 1350 cm³ Peso 101 kg 72 kg Coppia 220 N m @ 2500 g/min 143 N m @ 4900 g/min Consumo Specifico 0.160 kg/kwh 0.280 kg/kwh Rapporto peso /potenza 0.882 kw/kg 1.173 kw/kg
Conclusioni In conclusione si è raggiunto lo scopo di mantenere il peso del motore completo a secco in 100 kg. 600 mm 450 mm 600 mm