studio ed ottimizzazione della testata per un motore diesel … internet/catalogo... · 2018. 4....
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Giovanni Giovanni GualducciGualducci
Studio ed ottimizzazione
della testata per un
motore diesel aeronautico
ad altissime prestazioni
Studio ed ottimizzazione Studio ed ottimizzazione
della testata per un della testata per un
motore diesel aeronautico motore diesel aeronautico
ad altissime prestazioniad altissime prestazioni
Candidato
Alma mater studiorum – Università degli studi di Bologna
AA 2005/2006
Prof. Ing. Luca Piancastelli
Relatore
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Obiettivi della tesiObiettivi della tesi
�� Proseguimento del lavoro dellProseguimento del lavoro dell’’Ing.Ing. Ricci Ricci MaccariniMaccarini che ha dimensionato il che ha dimensionato il propulsore e dellpropulsore e dell’’Ing.Ing. BolettiBoletti che ha che ha dimensionato il basamentodimensionato il basamento
�� Dimensionamento di massima della testataDimensionamento di massima della testata
�� Verifica agli elementi finitiVerifica agli elementi finiti
�� Ottimizzazione strutturaleOttimizzazione strutturale
�� Disegno della testaDisegno della testa
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Motore in analisiMotore in analisi
�� Cilindrata 7.0 litriCilindrata 7.0 litri
�� Motore 12 cilindri a V di 90Motore 12 cilindri a V di 90°°
�� Potenza teorica 1680 CVPotenza teorica 1680 CV
�� Rapporto di compressione pari a 15,5Rapporto di compressione pari a 15,5
�� Iniezione con iniettore pompa Iniezione con iniettore pompa piezoceramicopiezoceramico
�� Doppia camera di combustioneDoppia camera di combustione
�� VelocitVelocitàà di rotazione delldi rotazione dell’’albero motore albero motore pari a 10000 pari a 10000 rpmrpm
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Assemblaggio delle partiAssemblaggio delle parti
Valvole
aspirazione
Bilancieri
Iniettori pompa
2 x cilindro
Camme con conicità
3,5°
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Le fusioni in alluminioLe fusioni in alluminio
Per rendere meno Per rendere meno difficoltose le difficoltose le
fusioni si fusioni si èè deciso deciso di realizzare la di realizzare la
testata in 4 parti:testata in 4 parti:
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Iniettore pompaIniettore pompa
�� Nuova geometriaNuova geometria
�� Fresatura laterale per Fresatura laterale per
il bloccaggioil bloccaggio
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I materialiI materiali
�� Fusioni in lega di alluminio A357Fusioni in lega di alluminio A357--T61T61
Composizione:Composizione: Al 92% Al 92% -- Si 7%,Si 7%,
Mg 0,5%, Mg 0,5%, MnMn 0,1% 0,1%
Tensione a rotturaTensione a rottura 310 310 MPaMPa
Tensione di snervamentoTensione di snervamento 248 248 MpaMpa
DensitDensitàà 2,6 kg/dm2,6 kg/dm33
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I materialiI materiali
■ Albero a camme, bilancieri e alberi in acciaio
39NiCrMo3 nitrurato
Tensione a rotturaTensione a rottura 1030 1030 MPaMPa
Tensione di snervamentoTensione di snervamento 835 835 MpaMpa
DensitDensitàà 7,75 kg/dm37,75 kg/dm3
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Verifiche strutturaliVerifiche strutturali
Carichi termici Carichi termici Carichi costanti per
ciclo di volo
Carico variabile per
ciclo di voloPressione di 16 Pressione di 16 MPaMPa
sulla testasulla testa
Carichi statici Forze di Forze di serraggioserraggiodei prigionieridei prigionieri
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Verifiche strutturaliVerifiche strutturali
Distribuzione TemperatureDistribuzione Temperature
Carichi costanti per ciclo di volo
+ Carichi statici
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Verifiche strutturaliVerifiche strutturali
Tensione equivalente secondo Tensione equivalente secondo VonVon MisesMises
Carichi costanti per ciclo di volo
+ Carichi statici
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Verifiche strutturaliVerifiche strutturali
Tensione equivalente secondo Tensione equivalente secondo VonVon MisesMises
Carico variabile per
ciclo di volo
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Verifiche strutturaliVerifiche strutturaliPunto 2:Punto 2:
σσmediamedia = 184 = 184 MPaMPa
σσalternaalterna = 5 = 5 MPaMPa
Punto 1:Punto 1:
σσmediamedia = 94,5 = 94,5 MPaMPa
σσalternaalterna = 33,5 = 33,5 MPaMPa
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Verifiche strutturaliVerifiche strutturaliPunto 2:Punto 2:
σσmediamedia = 184 = 184 MPaMPa
σσalternaalterna = 5 = 5 MPaMPa
Punto 1:Punto 1:
σσmediamedia = 94,5 = 94,5 MPaMPa
σσalternaalterna = 33,5 = 33,5 MPaMPa
n = 1,6 n = 1,4
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Alleggerimento testataAlleggerimento testata
Nuovo disegno della parte inferioreNuovo disegno della parte inferiore
�� camera per il liquido di camera per il liquido di raffreddamento maggiorataraffreddamento maggiorata
�� riduzione degli spessori di pareteriduzione degli spessori di parete
Peso componente originale 25,5 kg
Peso componente modificato 14,8 kg
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Alleggerimento testataAlleggerimento testata
Nuovo disegno della parte intermediaNuovo disegno della parte intermedia
�� Abbassamento di 10 mmAbbassamento di 10 mm
�� Scavi in tutti i punti non sollecitatiScavi in tutti i punti non sollecitati
Peso componente originale 34,5 kg
Peso componente modificato 17,8 kg
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Alleggerimento testataAlleggerimento testata
Nuovo disegno della parte superioreNuovo disegno della parte superiore
Riduzione a 5 mm di tutti gli spessori di Riduzione a 5 mm di tutti gli spessori di
pareteparete
Peso componente originale 22,6 kg
Peso componente modificato 8,0 kg
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Alleggerimento testataAlleggerimento testata
Nuovo disegno del coperchioNuovo disegno del coperchio
�� Riduzione degli spessori di pareteRiduzione degli spessori di parete
�� Realizzazione in PEEK rinforzato carbonio Realizzazione in PEEK rinforzato carbonio fibra corta (densitfibra corta (densitàà 1,9 kg/dm1,9 kg/dm33))
Peso componente originale 13,0 kg
Peso componente modificato 2,5 kg
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Alleggerimento testataAlleggerimento testata
��Nuovo disegno dei bilancieriNuovo disegno dei bilancieri
��Realizzazione in lega di titanio TiRealizzazione in lega di titanio Ti--6Al6Al--4V4V
Peso componente originale 1350 g
Peso componente modificato 300 g
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Alleggerimento testataAlleggerimento testata
Nuovo disegno dellNuovo disegno dell’’albero a cammealbero a camme
�� Foro assiale di diametro 40mmForo assiale di diametro 40mm
�� Realizzazione in lega di titanio TiRealizzazione in lega di titanio Ti--6Al6Al--4V4V
Peso componente originale 14,1 kg
Peso componente modificato 4,9 kg
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Verifiche strutturaliVerifiche strutturali
Tensione equivalente secondo Tensione equivalente secondo VonVon MisesMises
Carichi costanti per ciclo di volo
+ Carichi statici
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Verifiche strutturaliVerifiche strutturali
Tensione equivalente secondo Tensione equivalente secondo VonVon MisesMises
Carico variabile per
ciclo di volo
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Verifiche strutturaliVerifiche strutturaliPunto 2:Punto 2:
σσmediamedia = 212,5 = 212,5 MPaMPa
σσalternaalterna = 18,7 = 18,7 MPaMPa
Punto 1:Punto 1:
σσmediamedia = 59,4 = 59,4 MPaMPa
σσalternaalterna = 40,9 = 40,9 MPaMPa
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Verifiche strutturaliVerifiche strutturaliPunto 2:Punto 2:
σσmediamedia = 212,5 = 212,5 MPaMPa
σσalternaalterna = 18,7 = 18,7 MPaMPa
Punto 1:Punto 1:
σσmediamedia = 59,4 = 59,4 MPaMPa
σσalternaalterna = 40,9 = 40,9 MPaMPa
n = 1,8 n = 1,2
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Verifica componenti Verifica componenti
modificatimodificatiBilancieriBilancieri
Aspirazione Scarico
σσmaxmax = 90,5 = 90,5 MPaMPa σσmaxmax = 91,9 = 91,9 MPaMPaTensione di snervamento della lega TiTi--6Al6Al--4V4V = 1100 MPa
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Verifica componenti Verifica componenti
modificatimodificatiAlbero a cammeAlbero a camme
σσmaxmax = 324,4 = 324,4 MPaMPa < 1100 < 1100 MPaMPa
n = 3,4n = 3,4
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Assemblaggio testataAssemblaggio testata
Peso finalePeso finale 73 kg per 73 kg per bancatabancata
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LubrificazioneLubrificazione
�� BilancieriBilancieri
�� Albero a cammeAlbero a camme
�� Discesa olioDiscesa olio
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ConclusioniConclusioni
Peso Testate (N. 2)Peso Testate (N. 2) 146146 kgkg
Peso BasamentoPeso Basamento 103103 kgkg
Peso Peso imbiellaggiimbiellaggi e pistonie pistoni 6666 kgkg
TOTALE motore TOTALE motore ““nudonudo”” 315315 kg kg
Potenza motorePotenza motore 16801680 CVCV
Rapporto peso/potenzaRapporto peso/potenza 0,185 0,185
kg/CVkg/CV
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ConclusioniConclusioni