Famiglia dei motori a V con potenze superiori a 2000 HP

Lo scopo principale del progetto relativo al filone delle famiglie dei nuovi motori V-12 , il cui capostipite è denominato VD007, è la progettazione di un motore partendo da quello installato su un caccia della seconda Guerra Mondiale e apportando le migliorie derivate dalle conoscenze sviluppatesi dall’immediato dopo guerra sino ad oggi. A partire dal modello del motore Daimler- Benz DB605 si disegna nuovamente il gruppo testata-pistone nell’ottica degli sviluppi tecnologici raggiunti negli ultimi 50 anni.

In particolare, effettuando la trasformazione da motore a ciclo Otto a Diesel devono essere modificati alesaggio, corsa , rapporto di compressione, valore di velocità di rotazione a regime dell’albero motore, tentando di ridurre il peso complessivo rispetto al motore originale.

Numerose sono le problematiche relative alla trasformazione del motore da benzina a gasolio: la necessità di un sistema di iniezione per dosare e fasare correttamente il combustibile durante il ciclo, la realizzazione di una polverizzazione efficiente del combustibile per permettere una intima miscelazione con il comburente da cui dipende la bontà della combustione, l’irrobustimento del motore per permettere il raggiungimento dei rapporti di compressione necessari affinché la miscela si accenda , fatto che inevitabilmente causa un appesantimento del motore che contrasta con l’esigenza tipicamente aeronautica di avere motori potenti ma leggeri.

Contemporaneamente sono presenti vantaggi relativi alla trasformazione del motore da benzina a diesel: il combustibile più economico e non infiammabile in condizioni ambientali, l’affidabilità elevata, rendimenti superiori ( in un ciclo Otto η= 0.20+0.27 , per un ciclo Diesel η=0.37-0.51 ) . Per quanto riguarda il problema della disposizione degli iniettori nella testata del “nuovo” motore, dal momento che l’unico vincolo è quello di rimanere confinati nello stesso campo di potenze del motore originale , il quantitativo di combustibile da iniettare in camera di combustione per ottenere tale risultato sarà tale da dover equipaggiare ogni cilindro con due iniettori . Il doppio sistema di iniezione, costituito da iniettori completamente indipendenti l’uno dall’altro, sarà in grado di conferire affidabilità maggiore in caso di guasto di un iniettore. Gli iniettori installati sul VD007 sono quelli in dotazione al 1900 JTD Fiat.La cilindrata del VD007 ammonta a circa 20000cc per una potenza all’albero motore di 2200 HP in versione turbo, 2400 HP in Turbo Compound e 4000 HP in versione ibrida per una velocità dell’albero motore di 5000 rpm e 5600 nella versione potenziata.

Figura 22 Dimensioni principali del motore VD007 Coppia VD007 895 3100 3100 2758 0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 [rpm] [Nm ]

Figura 23 Curva di coppia del VD007 Turbo

I carburanti impiegati per tale famiglia di propulsori sono Diesel, JP4, JP8, Jet A1 oppure è possibile impiegare anche benzina a tutte le gradazioni addittivata allo 0.3% in volume, tenendo in conto con quest’ultima scelta una perdita di potenza del 30%.

Per una potenza simile è necessario garantire affidabilità elevata tramite l’impiego di materiali innovativi che caratterizzano i componenti del motore stesso. L’albero motore è realizzato in 300M un acciaio da cementazione ad elevatissime prestazioni.

Una caratteristica peculiare ed altamente innovativa del motore è l’introduzione della doppia camera di combustione nel pistone. In particolare per il pistone in studio è stata scelta la camera di combustione a bordo rientrante adottata sul motore FIAT 1900 JTD , opportunamente modificata ed adattata al maggiore alesaggio e duplicata come precedentemente annunciato , disponendo le due camere di combustione lungo l’asse dello spinotto allo scopo di evitare sfarfallamenti .

Figura 24 Pistone a doppia camera di combustione

Si noti che la funzionalità della soluzione adottata è assicurata dall’alta efficienza dei moderni iniettori, in grado di iniettare il combustibile nell’istante desiderato con elevata precisione, consentendo una iniezione contemporanea dei due iniettori ed evitando sbilanciamenti indesiderati tra le due estremità del pistone in fase di combustione .

Una delle specifiche fissate è ottenere un rapporto di compressione pari a 15.5 per entrambe le bancate, proprio come il rapporto ricavato sul 1900 JTD. L’aumento notevole di tale rapporto induce un incremento di sollecitazioni agenti sul manovellismo, il quale dovrà essere accuratamente modificato e testato .

Una versione avanzata del motore VD007, detta “versione ibrida” riguarda l’installazione di una turbina in serie al motore stesso. Questa soluzione soddisfa pienamente i requisiti tipici richiesti in campo aeronautico di affidabilità ed elevata potenza. Il motore ibrido è costituito da un motore diesel e da una turbina simile alla Allison 250 C17. In configurazione di volo di crociera, il motore diesel lavora come bruciatore principale della turbina. La potenza meccanica dell’elica, (si può trattare di due eliche coassiali controrotanti), è ottenibile sia dal diesel che dalla turbina.

Nelle configurazioni di decollo, con potenza maggiorata, oppure di emergenza, i gas di scarico del motore diesel raggiungono una temperatura compresa in un range da 1000 K (circa 750°C) a 1700 K (circa 1450°C) con l’ausilio di un bruciatore addizionale e la potenza disponibile è quasi duplicata. Nel caso del motore ibrido VD007,con 12 cilindri a V di 55° (21 litri di cilindrata), la massima potenza aumenta da 2200 CV a 4000 CV. In caso di avaria completa del motore a pistoni, il motore a turbina può produrre una potenza di 1800 CV con questo bruciatore addizionale.

Figura 25 layout del motore VD007 ibrido

Figura 26 Assemblaggio del motoreVD007 ibrido

Nel motore ibrido la turbina muove l’elica retrostante, mentre l’elica frontale è connessa con il motore a pistoni. Le due eliche sono separatamente controllate in rollio e contro rotazione.

Il pistone del VD007 presenta una configurazione esclusiva con doppia camera di combustione sul cielo. Questa soluzione rende possibile l’impiego di iniettori automobilistici commerciali, anche per motori di grandi cilindrate. A livelli intermedi di potenza, l’efficienza di combustione è incrementata grazie all’utilizzo di iniettori di forma ottimizzata.

Non risultano problemi di tensione e usura dall’impiego di una singola camera di combustione, a potenze intermedie.

La doppia camera di combustione garantisce anche un incremento di affidabilità dovuta a due sistemi common rail separati.

La testa, il gruppo manovelle e l’albero motore sono stati progettati per raggiungere le seguenti prestazioni del motore: iniezione diretta, Cilindrata 21,000 cc, Potenza 2200 HP, velocità massima di rotazione 5700 rpm, coppia massima a 3800 rpm, massima pressione in camera di combustione pari a 160 bar (limite di progetto 210 bar), combustibili jp4, jp8, jet A1, diesel.