UNIVERSITA’ DEGLI STUDI DI BOLOGNA

FACOLTA’ DI INGEGNERIACorso 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: Relatore:

ALEX SPINELLI Prof. Ing. LUCA PIANCASTELLI

Correlatori:

Prof. Ing. FRANCO PERSIANI

Prof. Ing. ALFREDO LIVERANI

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.

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� 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

Caratteristiche di un motore avio:

Affidabilità

Peso e dimensioni

Basso consumo di carburante

Prestazioni

Indipendenza delle prestazioni dalla quota di volo

Soluzioni costruttive sempliciRiduzione del numero di componenti

Motore boxer: permette una maggiore versatilità di montaggio

Adozione del common rail

Impiego del motore Diesel

Impiego del turbocompressore

Raffreddamento ad liquido

Vantaggi:

Svantaggi:

Minori temperature di funzionamento• maggior coefficiente di riempimento• minori carichi termici sulla testata e sulle valvole

Minore rumorosità di esercizio

Minori ingombri dimensionali

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

Il calcolo del flusso di calore medio

Utilizzando le formule del libro “Motori a combustione interna” dell’Ing. Ferrari, ho calcolato il flusso di calore medio secondo la teoria di Annand:

hKJ

Q 75659 ′=&

Si ottiene la portata in volume di soluzione acqua glicol-etilenico necessaria, imponendo un salto termico tra l’entrata e l’uscita dal cilindro.

In fase di progetto è necessario calcolare la quantità di caloreda asportare attraverso il liquido refrigerante

sl

Vr 37,1=

I condotti di entrata e uscita assicurano una velocità del fluido inferiore ai 3 m/s

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

IL FLUSSO DEL LIQUIDO DI RAFFREDDAMENTO

INGRESSO

USCITA

USCITA

INGRESSO

In fase di progetto sono state prese in considerazioni le seguenti priorità:

1. Funzionalità

2. Semplicità di realizzazione tecnologica

3. Economia

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• Camicia del cilindro

• Prigionieri

• Condotti di aspirazione e scarico

• Geometria base della testata

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

La forza laterale genera un momento flettente che alla base del cilindro assume il valore massimo pari a 1019 Nm

La parte più sollecitata del cilindro risulta il volume in prossimità della piastra di base.

MpaQp 9324691 =+=+= σσσ

MpabbsschschN 21619,02400 =××== σσIl limite a fatica pulsante per il pezzo risulta essere:

3,293

216 ===vd

schNSσ

σIl coefficiente di sicurezza risulta pari a:

I prigionieri

FV = 2,25 FB = 35127 NMserraggio = 76 Nm

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 13789 N

• forza di contatto laterale tra pistone e cilindro, producenteun momento pari a 1019 Nm, che causa una distribuzione non uniforme delle forze sui prigionieri

I prigionieri più caricati risultano i numeri 4:

FB4 = 15612 N

Ho scelto 8 prigionieri M12

σA per vite 10.9bonificata e poi rullata = 100 MPa

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 Ck pari a 0,3 si può conoscere Fdiff,, quindi la tensione di escursione:

MPaA

FDiffa 31

2,7626844

22 3

minmax =×′

==−= σσσ

MpaSD

Aamma 50

2100 === σσ

ammaa σσ <Si ha quindi:

amA

VA p

AF

p ≤=

Poi bisogna verificare la sicurezza contro lo strappo del filetto e la deformazione dell’appoggio data da:

AA è la superficie di appoggio minima efficace nel dado, che risulta essere pari a 237 mm2.

pA = 148 MPa < 750 MPa

(pA pressione di contatto)

IL MATERIALE

Le caratteristiche del materiale sono le seguenti:

- carico di rottura(MPa): 400- carico di snervamento(MPa): 230- coef. dilatazione termica lineare(°K-1): 12,5*10-6

- coef. conduttività termica(W/m°K): 36,2- modulo elastico(MPa): 169.000- coef. di Poisson: 0,275- peso specifico(kg/m3): 7100- ritiro lineare: 1,5%

Per la prima realizzazione di testata e cilindro è stata scelta la seguente ghisa sferoidale:

GS 400-12 UNI 4544

(per la ghisa 35)

L’analisi agli elementi finiti

• La semplificazione del modello

• La reticolatura

• I carichi

•L’analisi strutturale

•L’analisi dei risultati

I carichi:• La pressione in camera di combustione pari a 13,5 Mpa

•La forza laterale di 8840 N

LA RETICOLATURA

σmax = 142 MPa

I RISULTATI DELL’ANALISI

Le linee di forza si concentrano vicino ai fori dei prigionieri

� pressione distribuita in camera di combustione pari a 13,5 MPa

� forza distribuita sulle sedi valvole pari a 11.550 N

Modello per l’analisi della camera di combustione

I RISULTATI

σmax = 90 MPa

Tensioni di Von - Mises Tensioni massime principali

Tensioni minime principali

IL CAMPO TERMICO

Dato un flusso termico pari a 0,57 kJ/s mm2

Tmedia = 530 °K

Tmax = 640 °K

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

Il punto di partenza è stata la disposizione delle valvole sulla superficie interna della camera di combustione

3 Bilanciere

4 Perno

5 Supporto

I due condotti hanno funzioni diverse:

• uno genera essenzialmente lo swirl

• l’altro porta la carica

I condotti di aspirazione

I condotti di scarico

Devono avere un andamento molto regolare per diminuire le perdite per attrito

Sono stati realizzati la sede per l’iniettore per l’iniettore e il collettore carburante

Sede iniettore

Collettore carburante

Una vista di tutti i condottiScarico

Aspirazione

Raffreddamento

Sedi iniettore e collettore carburante

Il pezzo finale

Piastra di collegamento

ScaricoAspirazione

Ingresso liquido di raffreddamento

Uscita liquido di raffreddamento

Fori passaggio aste

Fori fissaggio iniettore

Fori fissaggi supporto bilancieri

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

IL MODELLO DA FONDERIA

Dal grezzo aggiungendo le relative portate d’anima si ricava il modello e quindi, i due semimodelli

La realizzazione delle anime

Anima che realizza i condotti di scarico

Metodo della cassa d’anima Metodo del raffetto

LE ANIME DEI CONDOTTI DI RAFFREDDAMENTO

Complessivamente si ottengono 2 anime da posizionare nella forma

Il posizionamento delle anime nella forma

Portata d’anima

Il coperchio

Foro entrata lubrificante

Il lubrificante esce dalla testata attraverso i fori praticati per il passaggio delle aste

L’ASSEMBLAGGIO

GLI INGOMBRI

ConclusioniPro

� 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

� E’ possibile realizzare un gruppo testa-cilindro monolitico resistente alle pressioni in camera di combustione tipiche dei diesel common rail ad alte prestazioni

Contro