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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
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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
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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
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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
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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
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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
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IL FLUSSO DEL LIQUIDO DI RAFFREDDAMENTO
INGRESSO
USCITA
USCITA
INGRESSO
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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
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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
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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:
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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
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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:
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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)
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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)
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L’analisi agli elementi finiti
• La semplificazione del modello
• La reticolatura
• I carichi
•L’analisi strutturale
•L’analisi dei risultati
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I carichi:• La pressione in camera di combustione pari a 13,5 Mpa
•La forza laterale di 8840 N
LA RETICOLATURA
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σmax = 142 MPa
I RISULTATI DELL’ANALISI
Le linee di forza si concentrano vicino ai fori dei prigionieri
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� 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
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I RISULTATI
σmax = 90 MPa
Tensioni di Von - Mises Tensioni massime principali
Tensioni minime principali
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IL CAMPO TERMICO
Dato un flusso termico pari a 0,57 kJ/s mm2
Tmedia = 530 °K
Tmax = 640 °K
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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
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Il punto di partenza è stata la disposizione delle valvole sulla superficie interna della camera di combustione
3 Bilanciere
4 Perno
5 Supporto
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I due condotti hanno funzioni diverse:
• uno genera essenzialmente lo swirl
• l’altro porta la carica
I condotti di aspirazione
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I condotti di scarico
Devono avere un andamento molto regolare per diminuire le perdite per attrito
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Sono stati realizzati la sede per l’iniettore per l’iniettore e il collettore carburante
Sede iniettore
Collettore carburante
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Una vista di tutti i condottiScarico
Aspirazione
Raffreddamento
Sedi iniettore e collettore carburante
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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
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Isolando le parti da lavorare, aggiungendo opportuni sovrametalli si è ottenuto il grezzo di fonderia
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IL MODELLO DA FONDERIA
Dal grezzo aggiungendo le relative portate d’anima si ricava il modello e quindi, i due semimodelli
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La realizzazione delle anime
Anima che realizza i condotti di scarico
Metodo della cassa d’anima Metodo del raffetto
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LE ANIME DEI CONDOTTI DI RAFFREDDAMENTO
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Complessivamente si ottengono 2 anime da posizionare nella forma
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Il posizionamento delle anime nella forma
Portata d’anima
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Il coperchio
Foro entrata lubrificante
Il lubrificante esce dalla testata attraverso i fori praticati per il passaggio delle aste
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L’ASSEMBLAGGIO
GLI INGOMBRI
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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