UNIVERSITA’ DEGLI STUDI DI
BOLOGNA
FACOLTA’ DI INGEGNERIA
Corso di Laurea in Ingegneria Meccanica
Laboratorio CAD
Nu1
Studio ed ottimizzazione di un iniettore a
idrogeno per il motore 1900 JTD
Tesi di laurea di:
Giovanni Marini
Relatore:
Prof. Ing. Luca Piancastelli
1
Diapositiva 1
Nu1
Buongiorno, sono Giovanni Marini e la tesi che presento ha come argomento lo studio ed ottimizzazione di un iniettore a idrogeno per il
motore 1900 JTD
Nome utente; 13/12/2007
Nu2
Parametri di progettazione
P = 102900 W (140 CV)
ω = 419,9 rad/s (4000 rpm)
η=0.3 (dato di tentativo)
α= 20° (angolo manovella
iniezione)
Kc= 120 MJ/kg (H2)
p= 60 MPa (pres. iniezione)
2
Diapositiva 2
Nu2
Questa tesi si inserisce all'interno di un progetto più globale di conversione dell'attuale motore 1900 di derivazione Fiat dall'attuale
funzionamento a gasolio al funzionamento a idrogeno.
Per la progettazione dell'iniettore sono stati adottati i seguenti parametri, quindi una potenza massima di 140 cavalli a 4000 giri, un
rendimento del 30%, un angolo di iniezione di manovella di 20°, un potere calorifico del combustibile per unità di massa di 120MJ/kg
con una pressione di iniezione di 600 bar.
Nome utente; 13/12/2007
Nu3
Schema inettore
Molla di chiusura
Connettore
elettrico
Solenoide
Connettore
carburante
Diffusore
3
Diapositiva 3
Nu3
Vediamo in questa slide le immagini della realizzazione 3D del nostro componente e una sezione bidimensionale dello stesso.
Sono messi in evidenza in figura alcuni dei componenti principali adottati, quindi la molla di chiusura, il solenoide, il diffusore, il
connettore elettrico e il connettore di carburante.
Nome utente; 13/12/2007
Nu4
Calcolo volume di combustibile
introdotto per iniettata
Potenza Combustibile =
P
η
= M& cKc =
Portata fittizzia combustibile =
102900 W
= 343 kJ / s
120 MJ / kg
−3
Pc
343 kJ / s
=
= 2.8583*10 kg / s
Kc
120 MJ
−3
M& c *720°
Portata massica reale =
= 25,7*10 kg / s
(20° *4)
Portata volumetrica reale =
Tempo di iniezione =
M& Creale
ρ
−3
3
= 0,51*10 m / s
α
0,349rad
=
= 0, 00083s
ω 419,9rad / s
−7
3
−3
3
3
&
Vol. combustibile = Mcvol * t = 0,51*10 m / s * 0, 00083s = 4, 233*10 m ≈ 423mm
4
Diapositiva 4
Nu4
Dai parametri di progettazione è stato dunque possibile calcolare il volume di combustibile introdotto per iniettata.
è stata infatti calcolata inizialmente la potenza di combustibile che deve essere introdotta per garantire la potenza target di 140 cavalli,
da questa si è poi calcolata una portata di combustibile fittizzia che indica la portata di combustibile che dovrebbe essere garantita se
l'iniezione in camera di combustione fosse continua.
Considerando che l'iniezione avviene su 4 iniettori e su un angolo di manovella di 20° ogni 720 si è quindi calcolata la portata reale, da
questa ottenuto il tempo di iniezione, si è calcolato il volume di combustibile introdotto pe iniettata.
Nome utente; 13/12/2007
Nu5
Dimensionamento molla di chiusura
−6
F = n * Ω * p 2 = 2,5* 0,54 *10 mm 2 *90 *10 5 Pa = 12,15 N
Da catalogo DIM:
Diametro medio = Dm = 14 mm
Diametro del filo = d = 1, 25 mm
Numero di spire attive = Na = 8, 5
Lunghezza libera = Lo = 44, 5 mm
5
Diapositiva 5
Nu5
Il dimensionamento della molla è stato effettuato sulla base dell'intensità della forza derivante dalla pressione della camera di
combustione.
Per il risultato ottenuto è stata scelta una molla di tipo commerciale dal catalogo della DIM; molla che, tramite un opportuno precarico
è in grado di garantire la chiusura ermetica dello stelo.
Nome utente; 13/12/2007
Nu6
Dimensionamento solenoide
Numero di spire
N = 1000
Raggio medio
rm = 7,5mm
Resistenza del filo R = 6,1 Ω
Resistività del rame ρ = 0,0176 Ω mm2/m
6
Diapositiva 6
Nu6
Si è proceduto quindi con il dimensionamento del solenoide effettuando una verifica per comparazione con il solenoide attualmente in
uso nell'iniettore Common Rail della Bosch.
Il nostro iniettore presenta le seguenti caratteristiche: un numero di spire pari a mille, un raggio medio di 7,5 millimetri e una
resistenza del filo di 6,1 Ohm.
Nome utente; 13/12/2007
Nu7
Iniettore H2
Iniettore CommonRail Bosch
h = 50 mm
ri = 5 mm
re = 10 mm
M = 30 g
h = 10 mm
ri = 3 mm
re = 5 mm
M=6g
Λ = M / V = 2,546*10-3 g/mm3
Λ = M / V = 11,928*10-3 g/mm3
11,928*10 −3 g / mm 3
n=
ΛBosch
=
= 4, 68
−
3
3
ΛH 2
2,546*10 g / mm
7
Diapositiva 7
Nu7
La comparazione è stata effettuata adottando una grandezza di unità di massa sollevata per unità di volume.
Come si nota dai calcoli, il solenoide progettato è in condizioni di ampia sicurezza rispetto al solenoide presente all'interno dell'iniettore
Bosh avendo un coefficiente di sicurezza di 4.7.
Nome utente; 13/12/2007
Nu8
Valvola di sicurezza
8
Diapositiva 8
Nu8
A causa dell'elevata infiammabilità e volatilità dell'idrogeno si è scelto di adottare una valvola di sicurezza a prevenzione del fenomeno
del backfire, e quindi del ritorno di fiamma all'interno dell'iniettore.
La valvola di sicurezza non è altro che una semplice valvola di non ritorno il cui montaggio è particolarmente semplice per la particolare
geometria dell'accoppiamento diffusore-corpo iniettore.
Nome utente; 13/12/2007
Nu9
Tenuta
Organo
di
tenuta
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Diapositiva 9
Nu9
Per assicurare la tenuta rispetto a un fluido così volatile come è l'idrogeno si è scelto di adottare dei particolari organi di tenuta
autolubrificanti dal catalogo Angst-Pfister di cui vediamo in figura una immagine e una sezione.
Nome utente; 13/12/2007
Nu10
Materiale
L’idrogeno genera fenomeni corrosivi
Rigonfiamento
Decarburazione
Infragilimento
AISI316Ti ( X6CrNiMoTi1712 )
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Diapositiva 10
Nu10
Come noto l'idrogeno può favorire l'insorgere di problemi di rigonfiametnto, decarburazione e infragilimento dell'acciaio. Per questo
motivo si è scelto AISI316Ti , acciaio austenitico stabilizzato contenente titanio proprio per sfavorire i fenomeni sopra citati.
Nome utente; 13/12/2007
Nu11
Verifica tensione nei condotti
11
Diapositiva 11
Nu11
è stata quindi effettuata tramite Ansys Workbench 10, software commerciale agli elementi finiti la verifica della tensione dei condotti
generata dall'elevata pressione di dell'idrogeno.
Si è registrato un picco di tensione in prossimità del volume di raccolta dell'idrogeno, la dove il raggio di curvaura della parete è minore.
Il picco di tensione è di 178MPa e quindi decisamnete al di sotto della sigma di snervamento del materiale scelto.
Nome utente; 13/12/2007
Nu12
Ancoraggio
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Diapositiva 12
Nu12
Per quanto riguarda l'ancoraggio alla testata si è scelto di adottare una soluzione classica con forchetta-prolunga e vite mordente.
Nome utente; 13/12/2007
Nu13
Conclusioni
Sembra possibile realizzare un iniettore ad
H2 in sost. iniettore diesel common rail
Problema ritorno di fiamma forse risolto
con valvola di non ritorno
La pressione di 600 bar consente di ridurre
il volume dell’iniettata
13
Diapositiva 13
Nu13
Possiamo quindi concludere che sembra possibile realizzare un iniettore a idrogeno in sostituzione dell'iniettore diesel common rail.
La conversione pare attualizzabile nonostante il problema del ritorno di fiamma che dovrebbe essere risolto con la valvola di non
ritorno.
La pressione di 600 bar consente infine di ridurre il volume dell'iniettata.
Nome utente; 13/12/2007