Diapositiva 1 - IIS Alessandrini

Stefano Carrozzo
A.S.: 2006/2007
Stefano Carrozzo
A.S.: 2006/2007
PREMESSA
La seguente tesina d’esame descrive una
mia idea e come si è sviluppata fino ad
oggi: si tratta di un progetto tutt’ora in
fase di studio in quanto le conoscenze
necessarie ad una precisa progettazione
verranno da me apprese grazie a studi
universitari.
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IL MOTORE DIESEL
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DEFINIZIONE:
Il motore diesel è una tipologia di motore a
combustione interna in cui il carburante viene
iniettato direttamente nella camera di
combustione e l’accensione avviene
spontaneamente a causa dell’elevata temperatura
raggiunta in essa dopo la fase di compressione.
COMPONENTI:
Pistoni
Bielle
Valvole
Alberi a camme
Testata
Basamento
Cilindri (spesso ricavati nel basamento)
Iniettori
LE QUATTRO FASI:
• Aspirazione: il fluido comburente (aria) viene
aspirato nei cilindri dalla discesa del pistone
• Compressione: il fluido comburente viene
compresso dalla risalita del pistone
• Iniezione ed espansione: il carburante viene
iniettato e per l’elevata temperatura si incendia
provocando l’espansione dei gas
• Espulsione: i gas prodotti dalla combustione
vengono espulsi
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RENDIMENTO:
Il motore Diesel è caratterizzato da un proprio rendimento cioè, in parole
semplici, dal rapporto tra il lavoro prodotto dalla macchina e l’energia totale
ceduta dalla combustione del carburante al fluido che compie il lavoro, in un
ciclo completo. Il rendimento di un moderno motore Diesel, equipaggiato con
nuove tecnologie come common rail, riflusso dei gas di scarico,controllo
elettronico del rapporto aria combustibile ecc. ecc., può arrivare al 50% (nel
caso del motore Diesel navale Wartsila-Sulzer RTA 96-C il rendimento supera
addirittura il 50%). Ciò significa che solo metà dell’energia che viene fornita
dalla combustione del gasolio viene trasformata, ad esempio, in moto
dell’automobile. Il restante 50% dell’energia viene “dissipata” sotto forma di
calore.
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TERMODINAMICA
PRIMO PRINCIPIO DELLA TERMODINAMICA:
Il primo principio della Termodinamica contiene tre concetti fondamentali: conferma che
il calore Q è una forma di energia in transito (a causa di una differenza di temperatura),
postula l’esistenza dell’energia interna U, fornisce una forma generalizzata del principio
di conservazione dell’energia. In sintesi:
Q=L+ΔU oppure ΔU=Q-L
Il primo principio non stabilisce però condizioni sulla convertibilità da un tipo di energia in
un altro; in effetti, mentre l’energia meccanica o elettromagnetica si possono trasformare
senza alcuna limitazione in energia termica, la trasformazione inversa è soggetta a precisi
vincoli di tipo fisico.
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TERMODINAMICA
SECONDO PRINCIPIO DELLA TERMODINAMICA:
In termodinamica, si definisce macchina termica un dispositivo in grado di compiere lavoro meccanico
a spese dell’energia interna ricevuta mediante scambi di calore.
Una macchina termica, per funzionare, necessita di almeno due sorgenti di calore: una per riscaldare il
fluido e provocare la sua espansione e un’altra che raffreddi il fluido in modo da chiudere il ciclo. Tale
macchina assorbe una quantità di calore QC dalla sorgente a temperatura maggiore, compie un lavoro
L e cede una quantità di calore QF alla sorgente con temperatura minore. In una trasformazione ciclica
il calore scambiato dal sistema è uguale al lavoro totale compiuto dal sistema:
Qtot = L
Nel caso che stiamo esaminando il calore totale è dato dalla somma del calore scambiato dalla
macchina quindi: L = QC + QF . Poiché QF è negativo si preferisce scrivere:
L = QC - |QF|
Questa formula significa che solo una parte del calore QC assorbito dal sistema viene trasformata da
esso in lavoro meccanico. La parte rimanente QF viene dissipata, praticamente sprecata, visto che
deve essere ceduta alla sorgente a temperatura inferiore. Questa situazione viene descritta attraverso
l’enunciato di Lord Kelvin del secondo principio della termodinamica che afferma che: è impossibile
realizzare una trasformazione il cui unico risultato sia quello di assorbire una determinata quantità di
calore da un’unica sorgente di calore e trasformarla integralmente in lavoro.
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TERMODINAMICA
IL RENDIMENTO:
Il rendimento di una macchina termica è definito come il rapporto:
η
L Qc  | QF |
|Q |

 1 F
Qc
QC
QC
Siccome vale la relazione |QF| ≤ QC dal punto di vista matematico il rendimento di una
macchina termica è sempre compreso tra 0 e 1. L’enunciato di Lord Kelvin afferma però
che QF ≠ 0 , di conseguenza la frazione |QF|/QC non può essere uguale a zero; quindi il
rendimento di una macchina termica non puoi mai raggiungere il valore η = 1, cioè il
rendimento del 100%.
IL LAVORO:
In generale il lavoro fatto da una trasformazione termodinamica in cui la pressione
del fluido varia in funzione del suo volume P = f(V) si calcola facendo:

V2
V1
f(V) dV
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IL PROGETTO
COME Ѐ NATA L’IDEA:
Un giorno dell’estate 2005 osservando
un’enciclopedia multimediale la mia attenzione è
stata attirata da un’immagine che ritraeva lo scudo
termico degli shuttle costruito con piastrelle di
materiali ceramici avanzati. Ecco che è nata così
l’idea di utilizzare i ceramici avanzati per creare un
motore diesel privato del sistema di
raffreddamento in modo da dissipare il minor
calore possibile aumentando così la temperatura di
esercizio e quindi di conseguenza il suo
rendimento. Inoltre grazie all’aumento della
temperatura a cui opera questo motore si ha anche
una diminuzione dell’emissione di sostanze
inquinanti e la possibilità di utilizzare in modo più
efficiente i combustibili derivati da oli vegetali
come il Biodiesel.
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IL PROGETTO: STRUTTURA
Albero a gomiti sostituito da una struttura di forma conica con movimento vincolato alla base del
cono su un bulbo sferico e la punta a un volano rotante obbligando così la struttura a compiere una
precessione ad ogni rotazione del volano. Sulla circonferenza di base del cono sono situati due perni
opposti fra loro che durante la precessione descrivono un movimento lineare utilizzabile per
movimentare i pistoni eliminando così le forze di spinta laterale tipiche del sistema biella-manovella
che causano sprechi di energia per attrito e vibrazioni indesiderate. Tale cinematismo sarà visibile in
modo chiaro nell’animazione della diapositiva 14;
Strutture interne studiate in modo da creare forti turbolenze nelle fasi di aspirazione e compressione
per favorire l’atomizzazione e vaporizzazione del carburante e la successiva combustione quindi
aumentare il rendimento. Queste strutture comprendono:
•Condotti di aspirazione e valvole strutturate in modo da accentuare il moto di swirl nella fase di
aspirazione;
•Bowl del pistone (tazza ricavata nel cielo del pistone) progettata in modo da accentuare il moto
di squish nella fase di compressione;
Pistoni, cilindri e teste in materiali ceramici avanzati: Nitruro di silicio pressato a caldo (HPSN),
Nitruro di silicio sinterizzato (SSN) e Allumino-Silicato di Litio, materiali caratterizzati da bassa
dilatazione termica, bassa conducibilità termica rispetto ad alluminio ed acciaio e possibilità di utilizzo
ad elevate temperature (Vedi tabella proprietà materiali);
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IL PROGETTO: STRUTTURA
Due iniettori per cilindro disposti tangenzialmente al bowl del pistone in modo da favorire la
miscelazione del carburante nella direzione del moto composto swirl-squish creando così un nucleo di
combustione di forma toroidale;
 Distribuzione camless tramite l’utilizzo di elettromagneti che consente di movimentare le valvole
senza l’utilizzo di camme con una riduzione del consumo di carburante fino al 20%;
Di notevole importanza è l’aumento del rapporto di compressione, cioè il rapporto tra il volume di
aria dopo la compressione e il volume di aria prima della compressione presente nel cilindro. Esso è
stato aumentato da 1:22 (rapporto di compressione di un moderno motore diesel) a 1:32. Ciò significa
un aumento del rendimento del motore in quanto un aumento di compressione provoca anche un
aumento di temperatura del fluido comburente.
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IL PROGETTO: STRUTTURA
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IL PROGETTO: STRUTTURA
SISTEMA CAMLESS
MOTO DI SWIRL
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IL PROGETTO: STRUTTURA
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IL PROGETTO: STRUTTURA
Tabella confronto caratteristiche dei materiali ceramici di uso comune e materiali comuni
Conducibilità termica
(W/mK)
Calore
Espansione
specifico (J/g
termica (PPM/K)
K)
Modulo Elastico o
Modulo di Young (GPa)
Rapporto di
Poisson
C.N.
600 °C
Pressato a caldo
290
0,3
29
22
2,7
Sinterizzato
290
0,28
33
18
Reaction-Bonded
200
0,22
10
Pressato a caldo
430
0,17
Sinterizzato
390
Reaction-Bonded
Resistenza trazione (MPa)
Densità
(g/cm3)
C.N.
600 °C
Temp. max di utilizzo
(°C)
0,75
3,3
830
805
1400
3,1
1,1
3,3
800
725
1400
10
3,1
0,87
2,7
295
295
1400
80
51
4,6
0,67
3,3
550
520
1500
0,16
71
48
4,2
0,59
3,2
490
490
1500
413
0,24
225
70
4,3
1
3,1
390
390
1300
Zirconia parzialmente stabilizzata
205
0,3
2,9
2,9
10,5
0,5
5,9
1020
580
950
Allumino-silicato di Litio
68
0,27
1,4
1,9
0,5
0,78
2,3
96
96
1200
Ferro di Getto
170
0,28
49
40
12
0,45
7,1
620
100
500
Acciaio
200
0,28
38
-
14
0,45
7,8
1500
140
600
Alluminio
70
0,33
160
-
22,4
0,96
2,7
370
0
350
Materiale
Nitruro di Silicio (Si3N4)
Carburo di Silicio (SiC)
Materiali comuni
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IL PROGETTO: STRUTTURA
Le tavole grafiche seguenti a questa pagina sono i disegni da me realizzati
grazie ai software di progettazione Autodesk AutoCAD 2007 e SolidWorks
2007. Le immagini appaiono semplici ma il lavoro di ideazione, calcolo delle
quote e calcolo delle tolleranze e assai complesso e dispendioso in termini di
tempo. Inoltre al tempo vero e proprio di progettazione ho dovuto aggiungere
il tempo per l’apprendimento dell’utilizzo di SolidWorks.
CONO UTILIZZATO PER LA
MOVIMENTAZIONE
TRAMITE LA
PRECESSIONE
ASSIEME DELLA STRUTTURA
(n.b.: il colore dei componenti in materiale
ceramico non corrisponde al colore reale)
ASSIEME STRUTTURA – VISTA ASSONOMETRICA
(n.b.: in questa immagine i colori degli elementi in nitruro
di silicio sono molto simili al colore reale del materiale)
ASSIEME STRUTTURA – VISTA LATERALE
(n.b.: in questa immagine i colori degli elementi in nitruro
di silicio sono molto simili al colore reale del materiale)
ASSIEME STRUTTURA – VISTA FRONTALE
(n.b.: in questa immagine i colori degli elementi in nitruro
di silicio sono molto simili al colore reale del materiale)
ASSIEME STRUTTURA – PARTICOLARE
(n.b.: in questa immagine i colori degli elementi in nitruro
di silicio sono molto simili al colore reale del materiale)
ASSIEME STRUTTURA –
VISTA IN SEZIONE DELL’AREA
CILINDRO - PISTONE
da notare è la forma accentuata del
bowl del pistone complementare alla
forma della testa.
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ELEMENTI DEL PROGETTO GIÀ REALIZZATI
Ultimamente navigando il web e leggendo riviste come Quattroruote mi sono reso
conto che alcuni elementi del mio progetto sono in fase di studio e realizzazione da
parte di ingegneri e aziende, questi elementi sono qui di seguito riportati:
La distribuzione Camless esiste già da anni e si sta tentando di perfezionarla per
utilizzarla a regimi di rotazione elevati;
Alcuni motori Diesel sportivi possiedono già condotti di aspirazione orientati per
massimizzare il moto di swirl mantenendo però la tipica forma circolare delle valvole;
I cilindri e il cielo dei pistoni di alcuni motori Diesel vengono già realizzati
ricoprendo le parti a “contatto” con la combustione di materiali ceramici per
aumentare l’adiabaticità del motore;
In Giappone sono in fase di studio motori realizzati in materiali ceramici come il
Nitruro di Silicio e la Zirconia stabilizzata con Ittria.
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ANALOGIE / DIFFERENZE CON UN MOTORE DIESEL TRADIZIONALE
R.d.C.
Alesaggio/Corsa
Alimentazione
Materiali
Sistema trasformazione
movimento pistone
Temperatura raggiunta nella
C.d.C dopo la compressione
Pressione raggiunta nella C.d.C
dopo la compressione (senza
tenere conto della sovra
alimentazione del
turbocompressore)
N° iniettori per cilindro
Sistemi sfruttamento gas di
scarico
N° e tipo di valvole
Distribuzione
Sistema di raffreddamento
Pressione di iniezione del
carburante
Motore Diesel normale
Progetto
1:18 ~ 1:22
1:32
< 1, motore a corsa lunga
> 1, motore superquadro
Diesel o miscela DieselTradizionale o Biodiesel al
Biodiesel
100%
Prevalentemente leghe di Ceramici avanzati e leghe di
acciaio e leghe di alluminio
alluminio
Biella-manovella
corpo conico a precessione
600°C ~ 900°C
900°C ~ 1100 °C
~ 70 atm
~ 130 atm
1, a volte con sistema
Multijet
2, con iniezione tangenziale
al Bowl del pistone
EGR (ricircolazione dei gas
EGR (ricircolazione dei gas
di scarico),
di scarico),
Turbocompressore, turbina a
Turbocompressore
vapore.
8 (2 ogni cilindro) a
32 (4 ogni cilindro) a pianta
mezzaluna per aumentare il
circolare
moto di swirl
Alberi Cammes
Sistema Camless, attuatori
movimentati dalla cinghia di
elettromagnetici
distribuzione
Presente
Assente
~ 1500 atm
~ 2000 atm
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PRO E CONTRO RIGUARDANTI REALIZZAZIONE E FUNZIONAMENTO
VANTAGGI:
Alto rendimento grazie ai seguenti fattori:
•massimo sfruttamento dei gas di scarico;
•combustione completa favorita dai vari moti turbolenti che hanno luogo nei cilindri, dall’elevato
rapporto di compressione e dall’eliminazione del sistema di raffreddamento quindi da un aumento
della temperatura di esercizio;
•alta pressione di sovralimentazione disponibile ad ogni regime di rotazione grazie alla turbina a
vapor d’acqua che fornisce compressione indipendentemente dal regime di rotazione;
Riduzione dell’energia richiesta per i macchinari esterni al motore come ad esempio l’eliminazione
della pompa del riciclo dell’acqua di raffreddamento e l’eliminazione degli alberi a camme;
Riduzione dell’energia dissipata in attriti e vibrazioni grazie all’introduzione della struttura che compie
la precessione;
Possibilità di sfruttare al massimo i carburanti derivati da vegetali come il Biodiesel, abbattendo le
emissioni inquinanti;
Possibilità di controllare e regolare la combustione grazie alla gestione elettronica sia degli iniettori
che dei tempi di apertura e chiusura delle valvole di aspirazione e scarico sincronizzando perfettamente
il motore.
Possibilità di aumentare il regime di rotazione dell’albero motore in modo da ottenere una potenza
maggiore a parità di cilindrata;
Coppia erogata più costantemente e riduzione delle vibrazioni grazie alla distribuzione più omogenea
delle combustioni nel periodo di rotazione (nella versione a otto cilindri);
Possibilità di aumentare l’accelerazione del motore poiché grazie alla coppia erogata più
costantemente è possibile alleggerire il volano.
Stefano Carrozzo
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PRO E CONTRO RIGUARDANTI REALIZZAZIONE E FUNZIONAMENTO
SVANTAGGI:
 Notevoli difficoltà nel dimensionamento della testa e del pistone a causa dello spazio disponibile
ridotto in quanto i due fattori, rapporto di compressione aumentato e alesaggio maggiore della corsa,
provocano l’avvicinamento del pistone alla testa in posizione PMS dell’ordine di centesimi di millimetro;
Difficoltà nel dimensionamento delle parti in movimento a causa dell’elevata espansione termica
dovuta alle notevoli temperature raggiunte durante il funzionamento;
Difficoltà nella progettazione e nella realizzazione delle componenti in materiali ceramici in quanto i
processi di produzione dei ceramici avanzati permettono di realizzare oggetti con forme non complesse;
Alti costi di produzione caratteristici dei materiali ceramici, inoltre il sistema di attuazione delle valvole
di aspirazione e scarico implica l’utilizzo di elettromagneti dai costi elevati;
Difficoltà ad applicare le idee teoriche riguardanti il regime di rotazione in quanto un aumento di esso
implica:
•un minor tempo disponibile per l’apertura delle valvole, quindi la necessità di aumentare
l’accelerazione di esse aumentando la forza fornita dagli elettromagneti per l’attuazione;
•Un minor tempo disponibile per l’iniezione del carburante quindi necessità di aumentare la
pressione di iniezione e di avere a disposizione tecnologie che permettono l’attuazione degli
iniettori in tempi ulteriormente ridotti rispetto a quelli caratteristici dei moderni iniettori.
Stefano Carrozzo
A.S.: 2006/2007
BIBLIOGRAFIA
SUPPORTO CARTACEO:
Daniela Vignocchi - Elementi di progettazione del motore, Editore Athena Audiovisual Utilizzo:
cenni teorici e pratici sulla progettazione di motori a combustione interna tradizionali;
Libro di testo di Fisica del IV anno Liceo Scientifico-Tecnologico:
Fisica: idee ed esperimenti, dal pendolo ai quark Vol. 2
Utilizzo: cenni teorici sulla termodinamica;
B. Zuccarello – Progettazione meccanica con materiali non convenzionali, cap. 16. Progettazione
con materiali ceramici;
Utilizzo: informazioni sulle proprietà fisiche e chimiche dei ceramici e nozioni sulla progettazione
meccanica con essi;
Dott. Ing. Stefano Ubertini – Motori diesel ad iniezione diretta: alimentazione del combustibile e
moto della carica
Utilizzo: apprendimento cenni sul moto di squish e di swirl, apprendimento cenni sul’analisi dello
spray generato da un iniettore per motori diesel.
Stefano Carrozzo
A.S.: 2006/2007
BIBLIOGRAFIA
SUPPORTO MULTIMEDIALE:
Software per la realizzazione della tesina:
Pacchetto Microsoft Office 2007
Pacchetto Solidworks 2007 x64 Edition
Autodesk AutoCAD 2007
www.wikipedia.it
www.quattroruote.it
www.ducati.com
http://www.valeo.com/automotive-supplier/Jahia/op/edit/pid/1317 dati sul sistema camless
http://staff.nt2.it/michele/ Dizionario Tecnico Automobilismo
www.audi.com
RINGRAZIAMENTI:
Ringrazio particolarmente il Dott. Antonio Alessandro Licciulli docente di Scienze e Tecnologia dei
materiali ceramici all’Università degli studi di Lecce per l’ingente quantità di materiale messa a
disposizione in rete.
Inoltre un ringraziamento speciale va ad Eugenio Barsanti, Felice Matteucci e Rudolf Diesel.
Barsanti e Matteucci nel 1854 costruirono e brevettarono uno strumento destinato a diffondersi in
ogni angolo del globo e divenire indispensabile alla società moderna nel giro di un secolo e mezzo:
il motore a combustione interna. Diesel nel 1893 inventò un motore capace di far fronte ai
problemi di accensione tipici del motore a benzina: il motore Diesel.