Metanizzazione di un trattore agricolo Workshop: Soluzioni tecnologiche per un’agricoltura eco efficiente San Michele all’Adige, 16 dicembre 2014
Stefano Slaghenaufi Centro Ricerche FIAT – Trento Branch - Technologies & Design
Index
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Principali aree di intervento per la metanizzazione Culla motore strutturale Impianto di stoccaggio
Metanizzazione di un trattore agricolo
16 dicembre 2014
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Principali aree di intervento per la metanizzazione Obiettivo: realizzare un trattore funzionante al 100% a biometano adatto a lavorare in una biogas farm. Attività complessa che ha coinvolto numerosi specialisti di diverse aree tecniche. Tubazioni metano e riduttore di pressione
Scarico Coperture stilistiche
Nuova ventola motore Ammortizzatori cabina Centralina gestione motore Sostituzione motore
Metanizzazione di un trattore agricolo
Culla motore strutturale
Riduttore di velocità
Strutture di sostegno bombole
Installazione bombole CNG
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Culla motore strutturale Sostituzione dell’attuale motore diesel con il motore F1C le cui caratteristiche principali sono: • Motore a ciclo Otto: cilindrata 2998 cc., potenza max. 100 kW, coppia max. 350 Nm • Già utilizzato in veicoli funzionati a metano al 100% (es. Daily Natural Power) • Potenza e curva di coppia compatibile con il motore attuale tramite l’inserimento di un opportuno riduttore • Possibilità di avere un serbatoio di benzina di emergenza (14 litri) gruppo cambiotrasmissione
Problema: il motore attuale ha anche una funzione strutturale
Motore NP
assale posteriore
occorre ripristinare tale funzionalità con una struttura progettata ad hoc che sia in grado di sopportare le notevoli sollecitazioni.
giunti bullonati supporto assale anteriore
Motore F1C
Soluzione adottata: realizzare una culla che si colleghi al supporto anteriore e al cambio e che permetta di alloggiare il motore F1C ed il riduttore. culla motore Metanizzazione di un trattore agricolo
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Culla motore strutturale: selezione materiale/tecnologia A causa degli ingombri di motore e riduttore, si rende necessario una modifica nel punto di attacco del supporto assale anteriore
La nuova culla motore può integrare anche il supporto assale anteriore in modo da avere un componente unico ed eliminare i collegamenti bullonati
Selezione della accoppiata materiale-tecnologia Componente strutturale sottoposto a forti sollecitazioni
Materiali metallici (acciaio, alluminio, ghisa…) Compositi (fibra di vetro, fibra di carbonio…)
Componente di grosse dimensioni e geometricamente complesso
Fusione + lavorazione meccanica
Bassi volumi produttivi
Colata in sabbia
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• •
Costi elevati Scarsa resistenza alla T
Tabella materiali metallici colabili in sabbia con buone proprietà meccaniche 16 dicembre 2014
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Materiali selezionati
Materiale
Tecnologia
densità
rigidezza
snervamento
3
(kg/dm )
(E; GPa)
(MPa)
Colabilità
Costo relativo
1
Ghisa grigia (lamellare) ISO-JL-275
Colata in sabbia (Sand casting)
7.2
105
170
ottima
1
2
Lega alluminio 319.0 (F – as cast)
Colata in sabbia (Sand casting)
2.79
74
90
ottima
8.5
3
Acciaio colato a medio C GS-52
Colata in sabbia (Sand casting)
7.83
211
260
buona
3.3
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Ottimizzazione Per la fase di impostazione del componente sono stati utilizzati i più recenti metodi di ottimizzazione. Descrizione del flusso di ottimizzazione topologica: 1. Individuazione dei limiti dimensionali e creazione di un volume di controllo cioè del massimo ingombro che può avere il componente. 2. Inserimento dei casi di carico. Per questo componente sono stati individuati 6 casi di carico principali. Essi riproducono i test sperimentali che vengono realizzati da CNH per poter deliberare un trattore.
Volume di controllo o design space
esempi schematico di un caso di carico
Caso di carico “Axle Stop”: mette in torsione la culla
Come risultato dell’ottimizzazione si ottiene un volume «scavato»: il software lascia il materiale solo dove serve (linee di forza). È stata effettuata la stessa analisi con 3 materiali diversi (ghisa, acciaio, alluminio). La ghisa che permette di raggiungere le prestazioni meccaniche e, rispetto all’acciaio, è più colabile, meno costosa ed ha una maggior capacità di smorzamento delle vibrazioni. Metanizzazione di un trattore agricolo
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Disegno della culla e verifiche di prodotto Interpretando i risultati dell’ottimizzazione è stato disegnato un modello CAD della culla.
Creazione di un modello FEM col quale si sono verificate le prestazioni (rigidezze) e la resistenza. Sottoposto agli stessi casi di carico utilizzati per l’ottimizzazione
Prima versione CAD
Mappa delle tensioni (von Mises) caso di carico «bending chassis»
design finale: vista da sopra e da sotto Metanizzazione di un trattore agricolo
In base ai risultati sono state individuate e modificate le aree critiche fino ad avere un componete in grado di superare tutti i casi di carico. 16 dicembre 2014
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Verifica di processo Indicazioni alla progettazione del componente sono venute oltre che dalle analisi di prodotto anche da quelle di processo. Dopo aver dimensionato i sistemi di alimentazione e colata (materozza, canali, attacchi…), sono state simulate le fasi di riempimento e solidificazione. Osservando i risultati non sono emerse criticità quindi le matematiche CAD sono state date alla fonderia per la realizzazione del grezzo.
Mappa di temperatura durante il riempimento
Mappa di temperatura durante la solidificazione
Componente grezzo Metanizzazione di un trattore agricolo
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Installazione bombole CNG Principali fattori che hanno guidato la progettazione dell’impianto di stoccaggio: 1.
Vincoli normativi
2.
Conservare la funzionalità e la modalità d’uso
3.
Maggior capacità possibile
4.
Semplicità dell’impianto
autonomia riduzione costi
Vincoli normativi • ISO 15500 / 15501 / 15502 Vigenti nella comunità europea. Principali normative sui veicoli CNG
• ECE ONU
R110 R115
Spesso sono usate come riferimento in altri paesi (ad esempio in Brasile ed Argentina)
• Norme nazionali
NB: La norma ECE R110 riguarda le categorie di veicoli M e N (trasporto di persone e merci). Non esiste (ancora) una normativa specifica sugli impianti a metano di veicoli per utilizzo agricolo. Essa prevede delle specifiche sia sui singoli componenti (es. bombole, valvole, regolatori di pressione ecc.) sia sull’installazione (modalità di fissaggio, distanze minime, test di tenuta ecc.). Metanizzazione di un trattore agricolo
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ECE ONU R110 & R115 Alcuni esempi di prescrizioni contenute nella norma: • Test di tenuta alla massima pressione • Ogni singolo componente deve essere omologato • Le bombole devono essere fissate al veicolo con almeno: a) 2 fasce per bombola b) 4 bulloni • I serbatoi devono essere protetti dall’azione dei raggi solari. La protezione deve coprire un arco di 180° • Tra serbatoio e veicolo deve essere interposto materiale cedevole, antiscintillio e non igroscopico • Altezza minima da terra di 200 mm con veicolo in ordine di marcia •
•
Nessun componente del sistema deve essere collocato a meno di 100 mm dalla tubazione di scarico o da fonti di calore simili, a meno che non sia opportunamente schermato Su ciascuna bombola deve essere montata una valvola automatica
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Selezione del tipo di bombola CNG Tipo I
Tipo II
Tipo III
Tipo IV
Materiali
Bombole in metallo (acciaio, alluminio) ottenute mediante un processo senza saldatura
Bombole con liner di metallo (acciaio, alluminio) rinforzato sulla parte cilindrica con fibre alto resistenziali (carbonio, kevlar...).
Bombole con liner di metallo (acciaio, alluminio) rinforzato completamente con fibre alto resistenziali (carbonio, kevlar...)
Bombole con liner interamente in composito rinforzato completamente con fibre alto resistenziali.
Costo [€/l]
3-5
4-6
8-10
8-10
Efficienza [Kg/l]
1.15
0.8
0.4
0.3
Riduzione Peso [%]
-
10
15-35
48
Vita media [anni]
20
20
15
20
VALUTAZIONE
Alta disponibilità Alta efficienza Basso costo
Bassa disponibilità a commercio Bassa efficienza Costo maggiore
Costo Peso Sono state scelte bombole di tipo I grazie al minor costo, alla maggiore efficienza e a soluzioni commerciali già esistenti e disponibili in varie dimensioni. Metanizzazione di un trattore agricolo
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Limiti geometrici Sono stati fissati dei limiti geometrici (linea rosa) in modo da preservare la funzionalità, la comodità d’uso e per cercare di seguire la normativa. Secondo gradino Nessuna bombola sul tetto Porta chiusa
Limite verso le ruote Secondo gradino garantire la visibilità
Serbatoio / inviluppo ingombri ruote anteriori
Altezza da terra: limite del serbatoio attuale Metanizzazione di un trattore agricolo
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Configurazione bombole Visti i limiti geometrici sono state individuate 3 aree
Indagato numerose configurazioni variando:
principali per il posizionamento delle bombole:
• Diametro e lunghezza delle bombole fra quelle a commercio (già omologate)
•
Nello spazio lasciato libero dal serbatoio del gasolio
•
Parte destra rinunciando alla seconda scaletta ed
• Numero delle bombole
all’apertura porta
• Orientamenti delle bombole (verticale,
•
Dietro la cabina (configurazione a portale)
orizzontale, obliquo)
Uno dei primi layout di bombole
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capacità
270
n°bombole
20
litri
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Configurazione finale capacità n°bombole
299
litri
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Affinando la disposizione delle bombole e spostando pochi altri componenti (es. batteria) si è riuscito ad ottenere una capacità complessiva di circa 300 litri con 9 bombole. Potendo utilizzare bombole di dimensioni ad hoc e potendo riorganizzare maggiormente il layout si può facilmente incrementare la capacità complessiva. Metanizzazione di un trattore agricolo
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Schema impianto Bombole su cabina
Tubo flessibile
Bombole lato destro
Bocchettone di riempimento NGV1-P30 Φ 269 x 670
Φ 269 x 670
Φ 269 x 670
Φ 228 x 1630
Riduttore pressione
Φ 269 x 670 Bombole lato sinistro
Alimentazione motore
Φ 356 x 670
Φ 276 x 830
Φ 178 x 1065
Φ 178 x 1065
Tubo rigido Pressione dell’impianto = 220 bar
Tubo flessibile
Bocchettone di rifornimento Metanizzazione di un trattore agricolo
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Conclusioni
•
Si è illustrato la sostituzione del motore attuale con l’F1C funzionante a biometano al 100% senza perdita di prestazioni.
•
È stata descritta l’installazione di 9 bombole per una capacità totale di circa 300 litri (52 Kg) di metano (P=220bar)
•
Il modello metanizzato è un trattore di classe APH , di grande diffusione a livello europeo ed adatto al lavoro in una biogas farm.
•
La messa a punto di un modello di trattore a biometano consente di "chiudere il loop" in ottica di avere un'azienda agricola indipendente dal punto di vista energetico
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Grazie per l’attenzione
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Backup
Strutture di sostegno Parte fondamentale dell’attività è stata la progettazione delle strutture di sostegno del sistema di stoccaggio . Le caratteristiche principali richieste a tali strutture sono: •
Trattenere le bombole anche sotto l’azione di accelerazioni notevoli
•
Garantire un facile montaggio
•
Proteggere le bombole da urti accidentali
•
Garantire una facile accessibilità alle valvole
•
Essere economiche
Supporto bombole destro
Supporto bombole cabina
Supporto bombole sinistro Metanizzazione di un trattore agricolo
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Risultati ottimizzazione Come risultato dell’ottimizzazione si ottiene un volume «scavato»: il software lascia il materiale solo dove serve (linee di forza). È stata effettuata la stessa analisi con 3 materiali diversi (ghisa, acciaio, alluminio). Osservando i risultati: 1. l’alluminio non permette di raggiungere la rigidezza e la resistenza richieste. 2. Acciaio e ghisa superano i requisiti; l’acciaio permetterebbe una soluzione più leggera (prestazione non richiesta).C
Soluzione in ghisa
In conclusione il materiale scelto è la ghisa che permette di raggiungere le prestazioni meccaniche e, rispetto all’acciaio, è più colabile, meno costosa ed ha una maggior capacità di smorzamento delle vibrazioni.
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