Riassunto analitico
La decarbonizzazione dei veicoli rappresenta una sfida molto importante nell’ambito automotive che si ripercuote inevitabilmente sull’ambiente, in particolare sui cambiamenti climatici. Un delle strade che si possono percorrere è quella di utilizzare idrogeno come combustibile alternativo per alimentare la fuel line di un veicolo con motore a combustione interna o fuel cells. Il corretto funzionamento della linea di alimentazione di idrogeno è importante per garantire un flusso di gas continuo al sistema propulsivo; inoltre, l’idrogeno è un gas estremamente infiammabile, è anche molto importante che non vi siano perdite di gas.
L’obiettivo della tesi è lo studio del cedimento dell’elemento di tenuta (80ShA) dell’elettrovalvola a bassa pressione per il ciclo di fatica avvenuta per il caso “Peak & Hold” e la risoluzione del problema garantendo il buon funzionamento dell’elemento.
I metodi utilizzati per lo studio sono stati:
- Know-how aziendale: scelta di differenti mescole avente maggiore durezza (83 ShA e 90ShA);
- Analisi numerica: modello termico e modello FEM per lo studio statico;
- Analisi sperimentale: caratterizzazione al dinamometro del solenoide e banchi prova per lo studio della fatica sulle differenti mescole.
Dall’analisi numerica:
- Studio termico: verifica dell’effetto Joule-Thomson dove è stato calcolato un ΔT non sufficientemente elevato da produrre uno shock termico che possa creare cricche e portare al cedimento dell’elemento di tenuta;
- Studio strutturale statico: analisi del massimo stato tensionale nei punti più critici di contatto in fase di apertura della SOV per tre mescole (80ShA, 83ShA e 90ShA) per la comprensione delle regioni in cui si formano le cricche e la loro propagazione. Dal punto di vista del comportamento statico non si hanno problemi di apertura dell’elettrovalvola (reazioni vincolari < forza solenoide) e le tensioni normali critiche sono inferiori al carico di rottura a compressione. Infine, è stato calcolato un coefficiente di sicurezza statico limite per la fatica.
Dall’analisi sperimentale è stato verificato che il cedimento è causato a fatica nella regione di contatto elemento di tenuta – sede dovuto alla non corretta caratteristica meccanica dell’elemento di tenuta (80ShA), difatti aumentando il valore della durezza (83ShA e 90ShA) l’elemento di tenuta è in grado di resistere a tutta la durata del ciclo di endurance rispettando la perdita massima consentita da normativa senza subire cedimenti.
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Abstract
The decarbonization of vehicles represents a significant challenge in the automotive sector, which
inevitably impacts the environment, particularly climate change. One of the paths that can be taken
is to use hydrogen as an alternative fuel to power the fuel line of a vehicle with an internal
combustion engine or fuel cells. The proper functioning of the hydrogen fuel line is essential to
ensure a continuous flow of gas to the propulsion system; moreover, hydrogen is an extremely
flammable gas, making it critical to prevent gas leaks.
The objective of this thesis is to study the failure of the sealing element (80ShA) of the low-
pressure solenoid valve during fatigue cycles under the "Peak & Hold" condition and to resolve the
issue by ensuring the proper functioning of the component.
The methods used for the study were as follows:
1. Company know-how: selection of different compounds with higher hardness (83 ShA and
90ShA);
2. Numerical analysis: thermal model and FEM model for static analysis;
3. Experimental analysis: characterization of the solenoid on the dynamometer and test
benches for fatigue testing on different compounds.
From the numerical analysis:
1. Thermal study: verification of the Joule-Thomson effect, where a ΔT was calculated that
was not sufficiently high to produce a thermal shock capable of creating cracks and leading
to the failure of the sealing element;
2. Static structural study: analysis of the maximum stress state in the most critical contact
points during the opening phase of the SOV for three compounds (80ShA, 83ShA, and
90ShA) to understand the regions where cracks form and propagate. From a static behavior
perspective, there are no problems with the solenoid valve opening (constraint reactions <
solenoid force), and the critical normal stresses are below the compression failure load.
Finally, a limiting static safety coefficient for fatigue was calculated.
From the experimental analysis, it was verified that the failure was caused by fatigue in the contact
region between the sealing element and the seat due to the incorrect mechanical properties of the
sealing element (80ShA). In fact, by increasing the hardness value (83ShA and 90ShA), the sealing
element can withstand the entire endurance cycle while respecting the maximum allowable leakage
according to regulations, without experiencing failure.
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