IL MOTORE CERAMICO A PRECESSIONE Il motore ceramico a precessione Stefano Carrozzo A.S.: 2006/2007 IL MOTORE CERAMICO A PRECESSIONE Il motore ceramico a precessione

IL MOTORE CERAMICO A PRECESSIONE Stefano Carrozzo A.S.: 2006/2007 IL MOTORE CERAMICO A PRECESSIONE 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.

IL MOTORE CERAMICO A PRECESSIONE Stefano Carrozzo A.S.: 2006/2007 IL MOTORE CERAMICO A PRECESSIONE IL MOTORE DIESEL CLICCARE SUL FILMATO PER VISUALIZZARLO 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

IL MOTORE CERAMICO A PRECESSIONE Stefano Carrozzo A.S.: 2006/2007 IL MOTORE CERAMICO A PRECESSIONE 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.

IL MOTORE CERAMICO A PRECESSIONE Stefano Carrozzo A.S.: 2006/2007 IL MOTORE CERAMICO A PRECESSIONE 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.

IL MOTORE CERAMICO A PRECESSIONE Stefano Carrozzo A.S.: 2006/2007 IL MOTORE CERAMICO A PRECESSIONE 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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IL MOTORE CERAMICO A PRECESSIONE Stefano Carrozzo A.S.: 2006/2007 IL MOTORE CERAMICO A PRECESSIONE TERMODINAMICA IL RENDIMENTO: Il rendimento di una macchina termica è definito come il rapporto: 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:

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IL MOTORE CERAMICO A PRECESSIONE Stefano Carrozzo A.S.: 2006/2007 IL MOTORE CERAMICO A PRECESSIONE

IL MOTORE CERAMICO A PRECESSIONE Stefano Carrozzo A.S.: 2006/2007 IL MOTORE CERAMICO A PRECESSIONE 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.

IL PROGETTO: STRUTTURA Stefano Carrozzo A.S.: 2006/2007 IL MOTORE CERAMICO A PRECESSIONE 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);

IL PROGETTO: STRUTTURA Stefano Carrozzo A.S.: 2006/2007 IL MOTORE CERAMICO A PRECESSIONE 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.

IL PROGETTO: STRUTTURA Stefano Carrozzo A.S.: 2006/2007 IL MOTORE CERAMICO A PRECESSIONE IL PROGETTO: STRUTTURA CLICCARE SUL FILMATO PER VISUALIZZARLO

IL PROGETTO: STRUTTURA Stefano Carrozzo A.S.: 2006/2007 IL MOTORE CERAMICO A PRECESSIONE IL PROGETTO: STRUTTURA SISTEMA CAMLESS MOTO DI SWIRL

IL PROGETTO: STRUTTURA Stefano Carrozzo A.S.: 2006/2007 IL MOTORE CERAMICO A PRECESSIONE IL PROGETTO: STRUTTURA

IL PROGETTO: STRUTTURA Stefano Carrozzo A.S.: 2006/2007 IL MOTORE CERAMICO A PRECESSIONE IL PROGETTO: STRUTTURA Tabella confronto caratteristiche dei materiali ceramici di uso comune e materiali comuni Materiale Modulo Elastico o Modulo di Young (GPa) Rapporto di Poisson Conducibilità termica (W/mK) Espansione termica (PPM/K) Calore specifico (J/g K) Densità (g/cm3) Resistenza trazione (MPa) Temp. max di utilizzo (°C) C.N. 600 °C Nitruro di Silicio (Si3N4) Pressato a caldo 290 0,3 29 22 2,7 0,75 3,3 830 805 1400 Sinterizzato 0,28 33 18 3,1 1,1 800 725 Reaction-Bonded 200 0,22 10 0,87 295 Carburo di Silicio (SiC) 430 0,17 80 51 4,6 0,67 550 520 1500 390 0,16 71 48 4,2 0,59 3,2 490 413 0,24 225 70 4,3 1 1300 Zirconia parzialmente stabilizzata 205 2,9 10,5 0,5 5,9 1020 580 950 Allumino-silicato di Litio 68 0,27 1,4 1,9 0,78 2,3 96 1200 Materiali comuni Ferro di Getto 170 49 40 12 0,45 7,1 620 100 500 Acciaio 38 - 14 7,8 140 600 Alluminio 0,33 160 22,4 0,96 370 350

IL PROGETTO: STRUTTURA Stefano Carrozzo A.S.: 2006/2007 IL MOTORE CERAMICO A PRECESSIONE 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 ASSIEME DELLA STRUTTURA (n.b.: il colore dei componenti in materiale ceramico non corrisponde al colore reale)

ASSIEME STRUTTURA – VISTA ASSONOMETRICA (n. b 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 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 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 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.

ELEMENTI DEL PROGETTO GIÀ REALIZZATI Stefano Carrozzo A.S.: 2006/2007 IL MOTORE CERAMICO A PRECESSIONE 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.

ANALOGIE / DIFFERENZE CON UN MOTORE DIESEL TRADIZIONALE Stefano Carrozzo A.S.: 2006/2007 IL MOTORE CERAMICO A PRECESSIONE ANALOGIE / DIFFERENZE CON UN MOTORE DIESEL TRADIZIONALE

PRO E CONTRO RIGUARDANTI REALIZZAZIONE E FUNZIONAMENTO Stefano Carrozzo A.S.: 2006/2007 IL MOTORE CERAMICO A PRECESSIONE 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.

PRO E CONTRO RIGUARDANTI REALIZZAZIONE E FUNZIONAMENTO Stefano Carrozzo A.S.: 2006/2007 IL MOTORE CERAMICO A PRECESSIONE 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.

IL MOTORE CERAMICO A PRECESSIONE Stefano Carrozzo A.S.: 2006/2007 IL MOTORE CERAMICO A PRECESSIONE 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.

IL MOTORE CERAMICO A PRECESSIONE Stefano Carrozzo A.S.: 2006/2007 IL MOTORE CERAMICO A PRECESSIONE 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.