Diapositiva 1 - Piancastelli

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:
r


Fi  M r  cos   cos 2 
l


2
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



2 
Fi3cil  2 M r  cos  cos 2   2M r cos   cos 2   0
l
l




2
Abbiamo quindi equilibrato le forze di inerzia
mantenendo le manovelle a 180°.
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