Alma Mater Studiorum Università di Bologna
Facoltà di Ingegneria
Corso di Laurea in Ingegneria Meccanica
Disegno tecnico Industriale
DIEM
Relatore:
Prof. Ing. Luca Piancastelli
Correlatori:
Prof. Ing. Gianni Caligiana
Prof. Ing. Alfredo Liverani
Dott. Ing. Cristina Renzi
Tesi di laurea di:
Gionni Ferrara
Sessione Prima
Anno Accademico 2008/2009
OBIETTIVI DELLA TESI

Realizzare una testata per un motore a ciclo
diesel due tempi di grande potenza per uso
aeronautico:
 Leggerezza
 Affidabilità

Effettuare una verifica termostrutturale di
tipo lineare utilizzando la lega di alluminio
GD-AlSi9.
PANORAMA GLOBALE:

Realizzare un velivolo a decollo ed atterraggio
verticale per uso privato

Trasportare un limitato numero di passeggeri
da eliporto a eliporto volando a Mach 2.2
Caratteristiche richieste al
propulsore:
Elevatissima potenza in fase di decollo
 Elevata potenza in quota

Elevato numero di giri
motore
Potenze specifiche per
cilindro rilevanti
Scelta del tipo di propulsione:
Motore Diesel 2 tempi common rail:
Grandi potenze specifiche
• Elaborazione grandi masse d’aria
• Elevato n.ro di giri motore
• Rapporto massa/potenza favorevole.
•
Studio della testata
Vincoli progettuali:




Alesaggio pistone 150 mm
Rapporto di compressione > 12.5 :1
Quattro Iniettori per cilindro
Pressione in camera di combustione 250 Bar.
Studio della testata:
Pistone:

Posizionamento camere di
combustione:
Disposizione di quattro camere in
mezzeria:
Aumento considerevole dell’alesaggio
 Necessità di mantenere sgombra la
parte centrale della testa:

Conformazione a “tetto” del cielo
del pistone
Studio della testata:
Pistone:
Conformazione a tetto del cielo pistone:

Vantaggi:




Aumento superficie disponibile
Mantenimento alesaggio di
partenza (150 mm)
Iniettori posti in posizione
laterale
Svantaggi:


Cuspide centrale
Compenetrazione delle camere di
combustione
Studio della testata:
Pistone:
Modello Finale:
Studio della testata:

Struttura generale del motore:

Aspirazione:
Un condotto anulare convoglia il
comburente nella parte bassa del
cilindro.

Scarico:
L’evacuazione dei gas combusti
avviene nella parte alta del
cilindro dove sono presenti solo
valvole di scarico.
Studio della testata:

Valvole di scarico:


Elevato numero di giri (10000 rpm)
Grandi masse d’aria elaborate
Utilizzo di 10 valvole di derivazione
motociclistica



Diametro max. fungo (24,5 mm)
Diametro molla (20 mm)
Altezza ( 89,3 mm)
Studio della testata:




Prima ipotesi
testata:
Condotto di scarico centrale
Valvole inclinate di 20°
Iniettori inclinati di 33°
Problematiche:
•
Condotto di scarico non
sufficientemente ampio
•
Pareti cond. di scarico non
verticali
•
Iniettori scoperti
Studio della testata:

Seconda ipotesi di testata:
Condotto più ampio e
verticale
 Iniettori isolati
 Maggiore inclinazione
delle valvole (persa
l’ortogonalità con il piatto
fiamma)
 Maggiore inclinazione
Degli iniettori

Studio della testata:

Rapporto di compressione:

Obiettivo : r>12,5
V
V
r
V
c
0
0
V V
0
arancione
V rosso V verde
Studio della Testata:

Rapporto di compressione:

Correttivi:

Modifica delle cuspidi
nelle camere di
combustione.

Riempimento volume al
disotto delle valvole
attraverso la modifica
del profilo superiore del
pistone.
Studio della Testata:

Raffreddamento:
Per limitare lo stress termico la parte più bassa della testata risulterà
completamente immersa nel fluido refrigerante in modo da limitarne la
temperatura.

La presenza del condotto di scarico
impedisce il raffreddamento della
parte interna del piatto-fiamma:
Realizzazione di 3 condotti del
diametro di 10 mm (12 mm per
il condotto di mezzeria)
Studio della Testata:

Raffreddamento e lubrificazione:

Utilizzo degli alberi
a camme come
condotti di mandata
del gasolio “fresco”.

Appositi fori
praticati in
corrispondenza dei
contatti striscianti
assicurano la
lubrificazione
albero-boccola e
camma -bicchierino.
Studio della testata:

Disegni di assieme:
Verifica Termostrutturale:

Analisi dei carichi:

Carico strutturale di pressione.
Carico termico:

Diminuisce le proprietà meccaniche di resistenza del
materiale.
Verifica Termostrutturale:

Modello in Ansys 11:

Discretizzazione:

Infittimento
della mesh
nella zona più
sollecitata.
Verifica Termostrutturale:

Modello in Ansys 11:

Introduzione dei vincoli:

Introduzione dei carichi:

Pressione sul piatto fiamma (25 Mpa)
Pressione sulle sedi valvole (91 Mpa)
Carichi dovuti ai prigionieri (76,6 Mpa)


Verifica Termostrutturale:

Risultati:

Limite strutturale raggiunto

Fattore di sicurezza
inferiore all’unità in 3
zone.
Conclusioni:

La verifica termostrutturale non è soddisfacente. Si
rimanda lo studio finale alla testata “assemblabile” con
il basamento attualmente in corso di studio.

Il problema delle valvole molto sollecitate (1 ciclo x giro a
10000 rpm) è stato risolto utilizzando 10 valvole da
“motoGP” con diametro di fungo ridotto.