Studio di fattibilità di testata per motori aeronautici adatto ad ultraleggeri Candidato Michele Belligotti Relatore Prof. Ing. Luca Piancastelli Università di Bologna sede di Forlì III sessione 21/3/2006
Propulsore per velivolo ultraleggero Velivolo ultraleggero Cilindrata Alesaggio x corsa Rapporto di compressione 1211,2cc 79,5 x 61 mm 9,0:1 Rotax 914 UL.F Potenza massima Coppia massima 73,5 kw (100 CV) @ 5500 rpm Max. 5 min.: 84,5 kw @ 5800 rpm 144 Nm @ 4900 rpm Cilindrata Alesaggio x corsa Rapporto di compressione 998 cc 74 x 58 mm 11.8 : 1 Potenza massima 111,8 kw (152 CV) @ 10.500 rpm Propulsore Yamaha R1 Yamaha 2002/2003 R1 2002/2003 Coppia massima Lubrificazione 107 Nm (10,9 kg-m) a 8.500 rpm Carter umido
Testata originale Percorso di studio Testata progetto finale Propulsore Yamaha R1 Scelta materiali testa Scelta materiali componenti Progettazione Scelta del Metodo di fusione testata Fusioni e materiali Analisi FEM
Progettazione Lato Scarico Lato aspirazione Lato camera combustione Modifiche corpo testa Geometria condotti scarico Condotti per post-combustione Alesaggio camera combustione Alesaggio condotto di aspirazione centrale Candela Carter distribuzione Alette di raffreddamento scarico Condotti di discesa olio verso coppa Modifiche componenti testa Diametro steli valvole Diametro interno guidavalvole Sede valvola centrale Alesaggio valvola asp. centrale Alberi a camme Alberi a camme Esploso valvola
Incremento potenza erogata Camera combustione Incremento alesaggio 1 mm V V V tot tot mod % = 997cm = 1 = 1024cm 997 1024 Valvola asp. cantrale 1. Incremento alesaggio valvola asp. centrale 2. Incremento diametro sede asp. centrale 3. Incremento diametro foro sede asp. centrale 3 3 Problematiche: 3% Ф=74mm (73,98mm) Guarnizione testa Fuorigiri (max Ф=23mm 15000 rpm) Sfarfallamento Ф=24mm Ф interno =23mm Ф esteno =24mm Ф interno =24mm Ф esteno =25mm Ф=24mm Ф=25mm A = 461, 97mm A A = 1,57 Ф=75mm (74,98mm) 2 2 ( d + d ) h + s 1, sh v m 41 2 = 1 461,97 482,71 A = 482,71mm % = 4,3% 2
Steli valvole Valvole Scarico Asp. Impuntamento valvole Incremento di 0,05 mm degli steli delle valvole Incremento di 0,05 mm del foro interno guidavalvole. Scar. Ф=3,9 Ф=4,4 Asp. Scar. Ф=3,95 Ф=4,45 Condotti scarico Alette di raffreddamento Modifica geometria condotti scarico Minori perdite dei gas di scarico Introduzione alette di raffreddamento α= -16 Maggiore asportazione calore α=33,4
Condotti olio - Carter - Alberi a camme - Postcombustione Condotti di discesa olio Problema riempimento testa 4 condotti discesa olio Ф=12mm Distribuzione a ingranaggi Incl. = 40 Carter Alberi a camme Eliminazione carter catena Albero asp. +10,32mm Albero scar. +23,18mm Non ci sono norme antiinquinamento Basse temperature allo carico Condotti aria secondaria Eliminazione condotti
Testata Valvole Guida valvole Fusioni e Materiali Leghe di alluminio Pressofusione Fusione in sabbia Produzione in serie Buone tolleranze Finitura superficiale Leghe di Titanio Valvola asp. Valvola scar. Temp. 300 C Temp. 900 C Ti-6Al-4V TIMETAL 834 (Ti-6Al-4Sn- 4Zr-1Nb-1Mo) Lega al titanio al WC e W 2 C Leghe di rame Autolubrificante Pochi modelli Bassi costi CuNi2Si bonificata GD-AlSi10 Gs-AlSi5 Sedi valvole Alta resistenza Acciaio martensitico
Analisi FEM Mesh Condizioni Termiche Condizioni Strutturali Modello per analisi FEM Sedi valvole 6 zone Refrigerante 1 Condotti Pressioni in camera:nodi 98753 1)Camera 9MPa (90bar)59269 Elementi 2)Sede asp. 97MPa (970bar) 3)Sede scar. 89MPa (890bar) Condizioni di funzionamento Camera 6 zone Pressione sulla sede Pressione in camera Candela Olio 2 3
C.S. sede = 1,2 Risultati strutturali σ max_ sede 765Mpa Gs-AlSi5 σ max_ testa 174Mpa C.S. testa = 1,3 C.S. sede = 1,3 σ max_ testa 735Mpa GD-AlSi10 σ max_ testa 194Mpa C.S. testa = 1,5
Risultati termici Gs-AlSi5 T camera 270 C max_ T sede 310 C max_ GD-AlSi10 T camera C 266 max_ Tmax_ sede 307 C
Complessivo Testa Assemblata Distribuzione Camera Combustione Sezione testa Valvola scar. Valvola asp.
Conclusioni Valori entro i limiti nelle condizioni di funzionamento Temperature al limite Analizzata possibilità twin-spark Vantaggi Possibilità di arrivare saltuariamente fino a 15000 rpm Aumento alesaggio camera Evitati brevetti depositati Yamaha Candela posizione centrale Risolti i problemi del vecchio propulsore Aumentata affidabilità propulsore Inalterato il collettore di aspirazione Incrementata potenza propulsore Riduzione temperatura allo scarico Analisi necessarie Verifica a fatica della testa Prova statica e a fatica degli alberi a camme