STUDIO DI MASSIMA DI UN MOTORE DIESEL STUDIO DI MASSIMA DI UN MOTORE DIESEL A DUE TEMPI AD INIEZIONE DIRETTA PER A DUE TEMPI AD INIEZIONE DIRETTA PER

USO AERONAUTICOUSO AERONAUTICO

Relatore:Relatore: ProfProf.. IngIng. L.. L. PiancastelliPiancastelli

Correlatori: Correlatori: ProfProf.. IngIng. F. Persiani. F. Persiani

ProfProf. . IngIng. A. . A. LiveraniLiverani

Candidato: Candidato: Mainetti ManueleMainetti Manuele

Università degli studi di Bologna - A.A. 2003/2004 – 27 luglio 2004 Corso di laurea in ingegneria meccanica

Motivazioni per un diesel aeronauticoMotivazioni per un diesel aeronautico

�� SicurezzaSicurezza (ridotta infiammabilità(ridotta infiammabilità))�� Economia di esercizioEconomia di esercizio (alti rendimenti e basso costo (alti rendimenti e basso costo

carburante)carburante)�� Rapporto peso/potenza favorevoleRapporto peso/potenza favorevole�� Tesi SpadoniTesi Spadoni (mostra come sia possibile, con le tecnologie (mostra come sia possibile, con le tecnologie

attuali, costruire una famiglia di motori diesel commonattuali, costruire una famiglia di motori diesel common--rail rail competitiva nella fascia di piccole potenze con i motori competitiva nella fascia di piccole potenze con i motori alternativi a benzina esistenti e nella fascia alta con i più alternativi a benzina esistenti e nella fascia alta con i più piccoli gruppi turboelica; avendo potenze specifiche di 70 piccoli gruppi turboelica; avendo potenze specifiche di 70 kW/litro e rapporti peso/potenza dell’ordine di 1,5 kW/kg)kW/litro e rapporti peso/potenza dell’ordine di 1,5 kW/kg)

Obbiettivi del progettoObbiettivi del progetto

�� Si vuole ponderare la possibilità di costruire un motoreSi vuole ponderare la possibilità di costruire un motore dueduetempitempi sfruttando tutti i vantaggi dei Diesel ad iniezione diretta sfruttando tutti i vantaggi dei Diesel ad iniezione diretta Common rail con sovralimentazioneCommon rail con sovralimentazione

�� Partendo da studi già fatti da altre tesi si vuole arrivare ad uPartendo da studi già fatti da altre tesi si vuole arrivare ad un n risultato soddisfacente in termini dirisultato soddisfacente in termini di pesi e dimensionipesi e dimensioniusufruendo dei vantaggi dati da un motore due tempiusufruendo dei vantaggi dati da un motore due tempi

τnVp

P cme 2= τ τ = 2= 2

A parità di altre condizioni si A parità di altre condizioni si haha in teoriain teoria la possibilità di la possibilità di avere unaavere una potenza doppiapotenza doppiarispetto ad un motore a rispetto ad un motore a quattro tempiquattro tempi

Specifiche del progettoSpecifiche del progetto

�� Elevato grado di sicurezza e possibilità di certificazioneElevato grado di sicurezza e possibilità di certificazione�� MinimizzazioneMinimizzazione degli ingombri: dimensioni massime fornite degli ingombri: dimensioni massime fornite

dal vanodal vano�� MinimizzazioneMinimizzazione dei pesidei pesi�� MinimizzazioneMinimizzazione del numero di partidel numero di parti�� Potenza 350 CV a 2500 giri/Potenza 350 CV a 2500 giri/minmin da 0 a 5000 mda 0 a 5000 m�� Rendimento minimo 35%Rendimento minimo 35%�� Velocità elica 2700 giri/Velocità elica 2700 giri/minmin�� Continuità con la tradizione aeronautica per favorire Continuità con la tradizione aeronautica per favorire

l’installazione e la manutenzionel’installazione e la manutenzione

L

S

H

Punti di partenzaPunti di partenza

�� Architettura a V molto aperto (circa 120°)Architettura a V molto aperto (circa 120°)�� Struttura a monobloccoStruttura a monoblocco�� 4 valvole di scarico con alberi a camme in testa4 valvole di scarico con alberi a camme in testa�� Sistema biella a forchettaSistema biella a forchetta�� Dimensioni del vano: L=800, H=550 Dimensioni del vano: L=800, H=550 -- 480, S=930480, S=930�� Peso dell’ordine dei 170 kg Peso dell’ordine dei 170 kg

(seguendo le considerazioni della (seguendo le considerazioni della tesi Spadoni)tesi Spadoni)

Ciclo termicoCiclo termico

VVcccc = 3016 cm= 3016 cm33

s/D = 1,25s/D = 1,25ρρρρρρρρ = 20,8= 20,8ρρρρρρρρuu = 18,5= 18,5ηηηηηηηηTOTTOT = 35%= 35%

A TERRAA TERRA�� pmepme = 20,47 bar= 20,47 bar�� ppmaxmax = 224 bar= 224 bar�� PPee = 350 CV= 350 CV

ppmaxmax = 224 bar= 224 barvvmm = 8,33 m/s= 8,33 m/sn = 2500 giri/n = 2500 giri/minminz = 6 cilindriz = 6 cilindriρρρρρρρρcc = 2,8*1,2= 2,8*1,2

IN QUOTA (5000 IN QUOTA (5000 mslmmslm))�� pmepme = 10,13 bar= 10,13 bar�� ppmaxmax = 124 bar= 124 bar�� PPee = = 173 CV173 CV

SOVRALIMENTAZIONESOVRALIMENTAZIONEAGGIUNTIVAAGGIUNTIVA

Sistema di sovralimentazioneSistema di sovralimentazione

�� 1° Compressore:1° Compressore:

�� Intercooler:Intercooler:

�� Compressore volumetrico:Compressore volumetrico:

�� ρρcc = 2,8= 2,8

�� ρρtt = 4,83= 4,83

�� ρρ**ariaaria = 2267 = 2267 g/mg/m33

�� ∆∆TT = 105 K= 105 K

�� TTff == 58 °C58 °C

�� ρρ**ariaaria == 2986 2986 g/mg/m33

�� ρρcc = 1,2= 1,2

�� ρρ**ariaaria == 3353 3353 g/mg/m33

�� P = 350 CV P = 350 CV �� ρρρρρρρρ**ariaaria = = 3323 g/m3323 g/m33

Sistema di sovralimentazioneSistema di sovralimentazione

�� 2° Compressore:2° Compressore:

�� Aftercooler:Aftercooler:

�� P = 350 CV P = 350 CV �� ρρρρρρρρ**ariaaria = = 3323 g/m3323 g/m33

�� ρρcc = 1,8= 1,8

�� ρρtt = 1,96= 1,96

�� ρρ**ariaaria = 2135 = 2135 g/mg/m33

�� ∆∆TT = 130 K= 130 K

�� TTff = = 57 °C57 °C

�� ρρ**ariaaria == 2975 2975 g/mg/m33

IN QUOTA (5000 IN QUOTA (5000 mslmmslm))�� pmepme = 20,47 bar= 20,47 bar�� ppmaxmax = 223 bar= 223 bar�� PPee == 350 CV350 CV

Presentazione proposta 1Presentazione proposta 1

�� Monoblocco totaleMonoblocco totale�� Canne cofuse d’acciaioCanne cofuse d’acciaio�� Maggiore rigidezzaMaggiore rigidezza�� Assenza di vitiAssenza di viti�� Canne in umido ben Canne in umido ben

raffreddateraffreddate

�� Difficoltà di fusioneDifficoltà di fusione�� Centraggio delle luciCentraggio delle luci�� Difficoltà nell’ottenere le Difficoltà nell’ottenere le

precisioni voluteprecisioni volute

VANTAGGIVANTAGGI

SVANTAGGISVANTAGGI

Presentazione proposta 2Presentazione proposta 2

�� Canne cofuse d’acciaioCanne cofuse d’acciaio�� Canne in umido ben Canne in umido ben

raffreddateraffreddate�� Semplicità di fusioneSemplicità di fusione�� Semplicità di lavorazioneSemplicità di lavorazione

�� Esilità del gruppo testata Esilità del gruppo testata cilindrocilindro

�� Minore rigidezzaMinore rigidezza�� Sforzi concentrati alla base del Sforzi concentrati alla base del

cilindrocilindro

VANTAGGIVANTAGGI

SVANTAGGISVANTAGGI

Presentazione proposta 3Presentazione proposta 3

�� Maggiore rigiditàMaggiore rigidità�� Canne cofuse d’acciaioCanne cofuse d’acciaio�� Canne in umido ben Canne in umido ben

raffreddateraffreddate�� Semplicità costruttivaSemplicità costruttiva

�� Necessità di vitiNecessità di viti�� Difficoltà di centraggio delle Difficoltà di centraggio delle

cannecanne�� Guarnizione di testaGuarnizione di testa�� Canne non a barattolo e quindi Canne non a barattolo e quindi

testa più pesantetesta più pesante

VANTAGGIVANTAGGI

SVANTAGGISVANTAGGI

Proposta definitivaProposta definitiva

TURBOCOMPRESSORE

TESTA UNICA

AUSILIARI ANTERIORI

AUSILIARI POSTERIORI

COMPRESSORE VOLUMETRICO

DISTRIBUZIONE

CARTER SECCO

BASAMENTO A V 120°

DOPPIO ALBERO A CAMME

RIDUTTORE ELICA

Proposta definitivaProposta definitiva

�� Semplicità costruttivaSemplicità costruttiva�� Elevata rigidezzaElevata rigidezza�� Geometria adatta al tipo di Geometria adatta al tipo di

architetturaarchitettura�� Ottimizzazione dei vaniOttimizzazione dei vani�� Canne in umidoCanne in umido

�� Necessità di vitiNecessità di viti�� Impiego di canne cromateImpiego di canne cromate�� Guarnizione di testaGuarnizione di testa�� Testa più pesanteTesta più pesante

VANTAGGIVANTAGGI

SVANTAGGISVANTAGGI

BasamentoBasamento

�� Compressore volumetrico fra le bancateCompressore volumetrico fra le bancate�� Monoblocco di lega d’AlluminioMonoblocco di lega d’Alluminio�� Elevata rigidezzaElevata rigidezza�� Testata unicaTestata unica�� Carter seccoCarter secco�� Pesi ridottiPesi ridotti�� V 120°V 120°

ManovellismoManovellismo

�� 1 perno per 2 bielle1 perno per 2 bielle�� Biella a forchettaBiella a forchetta�� Pistone lungoPistone lungo�� Corsa lungaCorsa lunga�� 4 segmenti4 segmenti

Punterie e distribuzionePunterie e distribuzione

�� Distribuzione a doppia cinghia dentataDistribuzione a doppia cinghia dentata�� Doppio albero a camme in testaDoppio albero a camme in testa�� 4 valvole di scarico4 valvole di scarico

Ausiliari anterioriAusiliari anteriori

�� Pompa del vuotoPompa del vuoto

�� Alternatore secondarioAlternatore secondario

� Lento

� Trasmissione ad ingranaggi

� Diretto sull’albero a gomiti

� Conversione elettronica A.C. > C.C.

� Modello motociclistico

Ausiliari posterioriAusiliari posteriori

�� Pompa olioPompa olio

�� Pompa acquaPompa acqua

�� Pompa iniezionePompa iniezione

�� Alternatore primarioAlternatore primario

�� Motorino d’avviamentoMotorino d’avviamento

� Lento

� Diretto sull’albero a gomiti

� Lento

� Trasmissione a doppia cinghia dentata

� Lento

� Trasmissione a doppia cinghia dentata

� Veloce

� Diretto sull’albero condotto del volumetrico

� Veloce

� Ingranaggi dal compressore volumetrico

ConclusioniConclusioni

�� Peso Peso ≅≅≅≅≅≅≅≅ 100 kg (101,3 kg)100 kg (101,3 kg)�� Dimensioni del vano rispettateDimensioni del vano rispettate�� Prestazioni raggiunte, ci saràPrestazioni raggiunte, ci sarà

un certo margine a causa degli un certo margine a causa degli ausiliari (circa 20 CV)ausiliari (circa 20 CV)

� Sistema di sovralimentazione soddisfacente (avvalorato dalle tesi Fini e Lanzarini)

� Manca la continuità con la tradizione essendo un tipo di motore innovativo

800

930

480

-550

Sviluppi futuriSviluppi futuri

�� Studio nel dettaglio del tipo di compressore volumetrico Studio nel dettaglio del tipo di compressore volumetrico più appropriatopiù appropriato

�� Studio delle geometrie migliori per le luci di aspirazioneStudio delle geometrie migliori per le luci di aspirazione�� Impiegare solo cinghie per la trasmissione del moto agli Impiegare solo cinghie per la trasmissione del moto agli

ausiliari ed all’elicaausiliari ed all’elica�� Spostare tutti gli ausiliari sul retroSpostare tutti gli ausiliari sul retro�� Valutare la fattibilità di un’architettura a V rovesciato per Valutare la fattibilità di un’architettura a V rovesciato per

evitare il riduttore all’elica e collegarla direttamente evitare il riduttore all’elica e collegarla direttamente all’albero a gomitiall’albero a gomiti

�� Sostituzione del volumetrico con una bombola d’aria Sostituzione del volumetrico con una bombola d’aria compressa (per l’accensione) ed un compressore centrifugo compressa (per l’accensione) ed un compressore centrifugo superiore in termini di superiore in termini di ρρρρρρρρCC (per il volo)(per il volo)