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

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

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

Assemblaggio delle partiAssemblaggio delle parti

Valvole

aspirazione

Bilancieri

Iniettori pompa

2 x cilindro

Camme con conicità

3,5°

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:

Iniettore pompaIniettore pompa

�� Nuova geometriaNuova geometria

�� Fresatura laterale per Fresatura laterale per

il bloccaggioil bloccaggio

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

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

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

Verifiche strutturaliVerifiche strutturali

Distribuzione TemperatureDistribuzione Temperature

Carichi costanti per ciclo di volo

+ Carichi statici

Verifiche strutturaliVerifiche strutturali

Tensione equivalente secondo Tensione equivalente secondo VonVon MisesMises

Carichi costanti per ciclo di volo

+ Carichi statici

Verifiche strutturaliVerifiche strutturali

Tensione equivalente secondo Tensione equivalente secondo VonVon MisesMises

Carico variabile per

ciclo di volo

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

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

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

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

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

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

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

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

Verifiche strutturaliVerifiche strutturali

Tensione equivalente secondo Tensione equivalente secondo VonVon MisesMises

Carichi costanti per ciclo di volo

+ Carichi statici

Verifiche strutturaliVerifiche strutturali

Tensione equivalente secondo Tensione equivalente secondo VonVon MisesMises

Carico variabile per

ciclo di volo

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

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

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

Verifica componenti Verifica componenti

modificatimodificatiAlbero a cammeAlbero a camme

σσmaxmax = 324,4 = 324,4 MPaMPa < 1100 < 1100 MPaMPa

n = 3,4n = 3,4

Assemblaggio testataAssemblaggio testata

Peso finalePeso finale 73 kg per 73 kg per bancatabancata

LubrificazioneLubrificazione

�� BilancieriBilancieri

�� Albero a cammeAlbero a camme

�� Discesa olioDiscesa olio

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

ConclusioniConclusioni