motore fiat 1900 jtd per applicazioni aeronautiche internet/catalogo... · 2018-04-05 · 8...
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ANALISI DELLE POSSIBILITA’ DI SVILUPPO DEL
MOTORE FIAT 1900 JTD PER APPLICAZIONI
AERONAUTICHE
Titolo della tesi
CANDIDATO:
Alessandro Spada
RELATORE:
Prof. Ing. Luca Piancastelli
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Punto di
PartenzaCARATTERISTICHE
TECNICHE DI BASE:
Cilindrata:1910 cm3
Numero di cilindri:4 in linea
Alesaggio per corsa (cm): 82x90.4
Rapporto di compressione:18.5:1
Potenza max: 105 CV (77,22 kW)
rpm max : 4250
Alimentazione ad iniezione diretta
Common Rail
Turbosovralimentazione, e
interrefrigerazione
(aftercooler)
MODIFICHE AUTO -> AVIO
•sostituzione del turbocompressore con uno o
due turbocompressori a geometria fissa a
maggiore β per maggiore potenza e recuperare
la quota;
•sostituzione albero motore e bielle con quello
del motore 1,9 jtd 16 V modificato oppure
riprogettare la parte
•adozione di iniettori a permeabilità maggiore di
prestazioni superiori (multijet)
•riduzione del rapporto di compressione da
18.5:1 fino a 12.5:1 (limite di accensione);
•sostituzione della coppa dell’olio e del sistema
di lubrificazione (da carter umido a carter secco
per uso acrobatico)
•sostituzione del cambio con un riduttore di
velocità ad ingranaggi, a cinghia o a catena
collegato all’elica;
•sostituzione dei pistoni con pistoni con tunnel
di raffreddamento e bimetallico
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Verifica della resistenza del
pistone
• Il carico applicato al pistone è di pressione di diverso modulo nelle differenti parti del cielo del pistone.
• L’entità dei carichi è stata determinata sperimentalmente dalla strumentazione al banco di prova. Più in specifico, è stato inserito un sensore nella testata, che ci ha rivelato il valore della pressione nella camera di combustione.
• I ricercatori del CRF hanno ricavato mediante l’utilizzo di diversi sensori la mappa delle temperature raggiunte dal pistone. Le temperature raggiunte spaziano in un campo che va da un minimo di 208 ºC a un massimo di 497 ºC in diverse zone del modello.
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Risultati Ottenuti Con L’analisi
Agli Elementi FinitiCarico di funzionamento attuale
160 bar in camera, 140 sul resto del cielo
Risultato: Coefficiente di sicurezza
sempre maggiore o uguale a 2
Carico limite: 180 bar in camera e 160
sul resto del cielo
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Verifica della resistenza della
testata
Durezza HRB della lega GD-AlSi 9 in funzione
del tempo e della temperatura
0
10
20
30
40
50
60
70
80
2 5 8 23 30 60
Ore di riscaldamento
Du
rezza
HR
B
Durezza a 247 °C Durezza a 220 °C Durezza a 200 °C Durezza a 180 °C
Sulla testata sono state eseguite delle prove di durezza
HRB in funzione di un riscaldamento e della durata variabile
di esso.
Mediante il calcolo degli elementi finiti si è stimato che il
limite strutturale della testata è di 260 bar in camera di
combustione a parità di temperature ( si può raffreddare il
motore con acqua a 50° senza danneggiamenti)
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Risultati Ottenuti Con L’analisi Agli Elementi Finiti per
l’Albero Motore originale a 3800 rpm
Carico: pressione di 160 bar in
camera
Risultato: coefficiente
di sicurezza sempre maggiore o
uguale a due
Carico: pressione di 190 bar in
camera
Limite strutturale raggiunto.
Coefficiente di sicurezza intorno a
1,5
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ConsiderazioniRisultati dello studio sono:
•Pressione massima ammissibile sul pistone 180bar
•Pressione massima ammissibile sulla testata: 260bar
•Pressione massima ammissibile per l’albero motore a 3800 rpm: 190bar
•Pressione massima ammissibile per l’albero motore 1900 jtd modificato a
5000 rpm: 180 bar ( con coefficiente di sicurezza di 1.5 - solo per prove al banco)
La condizione più sfavorevole, per quello che riguarda i limiti strutturali, è quella
dell’imbiellaggio. Quindi sarà necessario modificare l’albero motore per le prove
al banco e riprogettarlo per l’uso aeronautico, inoltre sarà necessario sostituire le
bielle con altre più performanti in titanio
Ulteriori incrementi di potenza si potrebbero ottenere utilizzando un pistone
bimetallico, tuttavia, in questo caso, è necessario riprogettare il motore perché
l’albero motore non sopporta le sollecitazioni previste (perni di banco troppo
piccoli)
È possibile quindi cercare di fare delle stime in termini di limite di potenza del
motore FIAT 1900 jtd Common Rail
•Pressione massima ammissibile per l’albero motore di nuovo disegno in acciaio
300M e bielle in acciaio (n=2.5) o titanio (n=3) a 5000 rpm: 180 bar
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Determinazione Della Potenza
MassimaAttraverso il metodo per determinare la massima potenza erogabile dal motore,
è possibile ottenere, grazie la sostituzione di iniettori multijet più veloci, un limite
di potenza di 300 CV a 5000 rpm nella condizione in cui sia presente nel cilindro
una pressione di 180 bar con r = 15.5. Tuttavia a 5000 rpm il coefficiente di
sicurezza per l’albero motore si abbassa 0.9, insufficiente anche per le prove al
banco. Sono state quindi studiate una serie di modifiche all’albero FIAT originale,
consistenti nell’incremento dei raggi di raccordo di tutti i perni da 1.2 mm a 3
mm.
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Determinazione Della Potenza
Massima
Sostituendo le bielle con altre più leggere in lega di titanio, più resistenti (con
fusto ad H e non a T) e riprogettando l’albero motore si può sfiorare un
coefficiente di sicurezza pari a 3.
Va aggiunto inoltre un giunto idraulico per ridurre le vibrazioni torsionali.
Un giunto idoneo è quello montato sulla BMW 535 da 275 CV con cambio
Automatico.
In questa maniera l’albero motore viene irrobustito e garantisce un coefficiente
di sicurezza pari 1.5
Utilizzando l’albero motore speciale
in acciaio 300M, i nuovi pistoni
bimetallici, le bielle in titanio e gli
iniettori multijet si dovrebbero sfiorare
i 400 CV con 240 bar di pressione
massima. In questo caso però
l’albero motore va in crisi perché i
perni di banco sono troppo piccoli
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Per avere circa 300 CV a 5000 rpm con un solo intercooler è
necessario un beta di 4.2 (boost 866 psi) => sono necessari 2 turbo,
beta di 2.1 =>ogni turbo ha un boost di circa 29.5 psi
Non esistono turbocompressori commerciali in grado di fornire le
prestazioni richieste nell’applicazione aeronautica, ci focalizziamo quindi sul
banco prova, verrà poi messo a punto un turbocompressore ad hoc. Viene
scelto un turbocompressore Garret T3 50 “TRIM”
Per ottenere le pressioni richieste
saremo costretti a girare più veloci di
circa un 15% rispetto al valore massimo
di mappa. Questo è ammissibile al
banco con un turbocompressore
opportunamente preparato
Sarà inoltre necessario l’intercooler e
l’aftercooler per evitare danneggiamenti
al secondo compressore a causa la
sovratemperatura oppure è necessario
fabbricare il secondo compressore in
lega di titanio
Determinazione Della Potenza
Massima
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Realizzazione della
lubrificazione a carter seccoLa realizzazione della coppa dell’olio di un motore di serie Fiat 1.9 JTD, per poter essere
utilizzato in campo aeronautico, deve soddisfare determinate caratteristiche: minor peso,
minor dimensioni, facile realizzazione pratica. La nuova coppa è illustrata nelle figure
seguenti.Le due sporgenze in fondo alla coppa sono state progettate
in modo da poter avere accumulo di olio
nei vari orientamenti, così ci sarà sempre olio dove sono
posizionati i pescanti.
I quattro fori che si vedono servono a portare l’olio (tramite
tubi) nel serbatoio quadrato: una volta che l’olio penetra
nella cavità, anche se la coppa viene inclinata (entro certi
limiti), il pescante sarà sempre a bagno.
I principali vantaggi di questa coppa sono la facile
realizzazione e il minor peso
Il peso complessivo dell’intera coppa dell’olio intorno a 1 Kg
e, quindi, inferiore sia al peso dell’originale, che di quella
montata attualmente, si ricava che, rispetto alla soluzione
presente attualmente nella versione Avio del motore, ho un
guadagno di circa 3 Kg.
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La soluzione che adottata in questo studio è un
nuovo tipo di montaggio su Cessna 337 Skymaster
Il primo passo compiuto è stato quello d’osservare
direttamente l’aereo ed il motore Diesel, in modo da
individuare le geometrie fondamentali del sistema.
Come riscontrabile graficamente, risultava
impossibile alloggiare correttamente il
gruppo motore/riduttore nel vano motore: si
mostrava, infatti, la presenza di
un’interferenza tra una parte del sopra
citato gruppo e il carrello retrattile.
Viene montato il giunto idraulico ed un
riduttore epicicloidale commerciale per
ridurre la velocità angolare da 5000 rpm
(albero motore) a 2800 rpm (elica mt-
propeller MTV-20 a passo variabile
elettrico). Il giunto idraulico elimina i
problemi di vibrazioni torsionali
Montaggio nuovo motore su cessna 337
(posizione anteriore)
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Dimensionamento del radiatore
• Potenza termica da smaltire = 50 KW
• Salto medio di temperatura ΔTm= 47 K
• Coefficiente di scambio termico h = 90 W/m2K
• Fattore di compattezza ξ = 1000 m-1
• Spessore del radiatore = 98 mm
mat TAhQ
Superficie frontale del
radiatore = 0,120 m2
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Dimensionamento
dell’interrefrigeratore (aftercooler)• Potenza termica da smaltire
= 40 KW
• Salto medio di temperatura
= 155 K
• Coefficiente h = 15 W/m2K
Superficie frontale
dell’intercooler = 0,190 m2
• Fattore di compattezza ξ = 1000 m-1
• Spessore dell’intercooler = 80 mm
In questo caso si deve tenere in considerazione
per calcolare la densità del fluido refrigerante,
ed ottenere la portata in massa (5000 rpm,
p=3 bar), sia la costante di Boltzmann R sia
la temperatura di uscita dall’ intercooler.
Attraverso la cp del fluido e il salto
medio di temperatura si ottiene la
potenza termica da smaltire.
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PROGETTAZIONE DEL CASTELLO MOTORE
Afferraggio a sbalzo con anello
La scelta cade su questo tipo di progettazione
perchè
• I minori ingombri laterali permettono un più facile disposizione degli accessori
del motore
•Baricentro della struttura più vicino al parafiamma
• Trattandosi di un prototipo risulta una soluzione economica
Per quanto riguarda la costruzione il tipo di materiale impiegato, sia per motivi di costo
sicurezza e affidabilità, trattandosi di un prototipo, si è preferito integralmente utilizzare
l’acciaio 30CrMo4 che da catalogo risulta avere σs = 415 MPa e coefficiente di sicurezza
1.5
Montaggio nuovo motore su cessna
337 (posizione posteriore)
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Progettazione costello motoreL’ottimizzazione progressiva della struttura operata mediante successive analisi agli
elementi finiti ha portato ad una nuova architettura del castello motore
Si è poi passati al dimensionamento del
radiatore considerando scambiatori di
calore in allumini con alette ondulate.
Da tale analisi si è ricavato un radiatore
con una superficie pari a 0.072 m2
L’impianto di interrefrigrqzione è realizzato
in alluminio con alette ondulate, dimensionato
attraverso l’analisi della potenza termica da
smaltire. Essa è calcolata in base alla portata
d’aria, il rapporto di compressione e al
rendimento del compressore.
Gli scambiatori sono stati disposti ai lati del
motore
•Meno dannoso per il profilo aerodinamico
del velivolo
•Ancoraggio castello-motore più semplice
e leggero
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Per risolvere il problema dell’eccessivo riscaldamento del motore quando
il velivolo è fermo in fase di rullaggio, o si muove a bassissima velocità, si
è pensato di montare alcune ventoline sulla faccia posteriore degli
scambiatori (4 sul radiatore e tre sull’intercooler) che, entrando in funzione
quando la temperatura del fluido supera un determinato livello,
assicurerebbero comunque un flusso d’aria di raffreddamento attraverso
gli scambiatori.
L’utilizzo di due flabelli in corrispondenza
delle aperture laterali della fusoliera, e con
comando regolabile dal pilota, permette un
ulteriore parzializzazione del flusso d’aria
in entrata negli scambiatori, che si
aggiunge a quella già operata dalle
ventoline.
I flabelli sono incernierati sul lato opposto
rispetto al posizionamento originale del
Cessna 337Con l’attuale architettura del castello
motore si sono rispettati i vincoli di
resistenza e di ingombri contenuti, per
quanto riguarda il peso (13kg) è
necessario utilizzare parti in alluminio,
considerare una ulteriore ottimizzazione
del numero di ventilatori e ridurre le
superfici degli scambiatori.
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Nuovo montaggio su Cessna
172 Per montare il nuovo motore 1900 jtd della FIAT sul Cessna 172 con motore
depotenziato a 170 CV sono stati analizzati quattro stadi fondamentali
• La realizzazione del cofano per alloggiare il motore
•Ricostruzione del motore e accessori
•Dimensionamento e posizionamento organi ausiliari
•Dimensionamento circuiti aria, acqua e olio.
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Ricostruzione organi e accessori
del motore
▲ Motorino d’avviamento
▼ Albero motore e pistoni
Turbocompressore ▲
Riduttore e parastrappi ▼
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Impianto elettrico
SOLUZIONE : (adottata)
un alternatore con sistema
no-back
Leggerezza e compattezza
Semplicità di montaggio
Maggior manutenzione
=
alternatore con
limitatore di
coppia
SISTEMA NO-BACK
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DIMENSIONAMENTO
Q = cp ∙ ∆T ∙ mc
QL = __________________
K ∙ X ∙ ∆Tm∙ S
∆T = (90 – 80)°C
mc = 1,53 kg/s
→ Q = 6 ∙ 104 W
∆Tm= 21,64 K
S = 0,1109 m2
→ L = 180 mm
∆T = (180 – 50)°C
mc = 0,2 kg/s
→ Q = 2,6 ∙ 104 W
∆Tm= 55,44 K
S = 0,0980 m2
→ L = 34 mmINT
ER
CO
OL
ER
RA
DIA
TO
RE
Scambiatori di calore
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SOLUZIONI ADOTTATE
◄ Radiatore Honda CBR 1100
Superblackbird
Intercooler ALFA 156 JTD 2.4 ►
( per 175 CV )
Scambiatori di calore
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Scambiatori di caloreTELAIO DI SUPPORTO
Dimensionamento
• Sezione asta: 30x10 mm
• Sezione puntone:
Øe = 6mm
Øi = 4mm
Verifica asta orizzontale
σfless = = 122,7 MPa
σamm = 415 MPa
Verifica carico di punta
Nσcompr =____ = 13,56 MPa
A
σcritico = 46,91 MPa
Materiale: 28 CrMo4
2kg
1 kg
6kg
M
Wt
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BLOCCO
MOTORE
RADIA-
TORE
SERBA-
TOIO
VALVOLA
TERMOSTATICA
Come si può vedere il liquido in uscita dal motore passa nella valvola termostatica.
Se esso è troppo freddo viene reimmesso nel motore, se invece è sufficientemente
caldo viene mandato al radiatore, ed in uscita da esso di nuovo al motore. Particolare
caratteristica del nostro motore è che il liquido raffreddato non viene reimmesso nel
blocco motore, ma nella testata, poiché si vuole migliorare il raffreddamento di
quest’ultima
Impianto di raffreddamento
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Nella prassi aeronautica, a differenza di quella automobilistica, l’impianto di
raffreddamento presenta tubi RIGIDI, infatti i tubi del radiatore devono essere
fabbricati in alluminio, solo i tratti finali di raccordo possono essere in gomma.
Impianto di raffreddamento
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FILTRO
DELL’ARIA
COMPRESSO-RE
INTER-COOLER
COLLETTORE DI
ASPIRAZIONE
Impianto di aspirazione
Come si vede nello schema, l’aria in entrata (è stato praticata un’apertura sul cofano per
favore l’entrata) passa dal filtro dell’aria per poi andare al compressore che,mosso dalla
turbina, la comprime riducendone il volume ed aumentandone la pressione, ma
aumentandone anche la temperatura.Poi l’aria compressa va all’intercooler (scambiatore
di calore aria-aria) dove viene raffreddata (ulteriore riduzione di volume) ed inviata
finalmente ai collettori di aspirazione.
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Impianto del gasolio
Relativamente all’impianto del gasolio ci siamo orientati verso una soluzione piuttosto
comune nella pratica degli ultraleggeri, la quale però, non manca di piccoli accorgimenti.
Tali accorgimenti sono necessari per un motore diesel. Come noto il JTD possiede un
impianto di alimentazione del gasolio dotato di sistema COMMON-RAIL.
Questo è mantenuto in pressione dalla pompa di alta pressione che eroga pressioni sino
a 1500 bar. Il percorso teorico del combustibile è qui di seguito illustrato:
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In base al lavoro eseguito si può affermare che la rimotorizzazione del Cessna 172
con un motore 1900jtd common-rail della FIAT non solo sembra possibile, ma sembra
un progetto di buona riuscita, nonché di indubbio ritorno economico dato l’elevato numero
di velivoli di questo tipo sul mercato e l’ utilizzazione, nel progetto di componenti già
presenti in commercio, che nonostante qualche lieve modifica garantiscono una spesa
piuttosto contenuta rispetto a soluzioni ad hoc.
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Riduttorel’Affidabilità è associata alla ricerca di un minore
componenti
• utilizzare tecnologie avanzate anche se costose
• Utilizzare alberi cavi con diametri elevati
• realizzare carter con forma bombata
Minor peso da 18 kg a 10.3 kg
Minor numero di componenti da 21 a 7
Semplice
Affidabile
Minor numero di componenti da sottoporre
a controlli
Si è inoltre allargato il profilo del carter fino ad inglobare
i supporti esterni, aumentando la rigidezza della struttura,
in tale elemento si riscontrerà peso 3.7 kg con sicurezza
n=3,2.Nell’assemblaggio tra riduttore e carter si ottiene così un
peso totale pari a 14,1 kg ottimizzato per impiego aeronautico.
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Riduttore a catena e a cinghia
dentata limite di potenza 200 CVCarichi agenti sull’albero elica
Tiro dell’elica F = ±3294 N
Momento giroscopico Mg = ±192 Nm
Tiro catena Tc = 6160 N
Nelle condizioni peggiori, si avranno le seguenti
reazioni sui cuscinetti:
4442 N per RA 1691 N per RB
Attaccando anteriormente le catena si hanno le
seguenti problematiche
•riduzione del numero di giri dell’elica da 2500 rpm 1900 rpm
•elevato numero di componenti con pericolo sull’ affidabilità
•elevati oneri di manutenzione
•peso oltre i 10 kg
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Riduttori a catena e cinghia dentata
Per risolvere il problema delle
elevate tensioni all’altezza
degli attacchi, si utilizzano dei
supporti laterali con i seguenti
vantaggi
•la struttura e il monoblocco formano delle figure triangolari che fruttano
meglio i materiali
•sfruttando meglio i materiali il riduttore risulta più leggero
•basta cambiare i supporti laterali per montare il riduttore su altri motori
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Peso [kg] 14 8,5 7
Lubrificazione forzata a gravità assente
Variazioni al montaggio nessuna nessuna coperchio testata
Ispezioni minime frequenti periodiche
Ingranaggi Catena Cinghia dentata
Manutenzione alla revisione cadenzata minima
Confronto
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Vantaggi della soluzione
• Maggiore silenziosità
• Peso inferiore (circa 6,5 kg)
• Non richiede lubrificazione
• Non richiede tenditori
• Istallazione senza modifiche al motore
Variante al progetto
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Conclusioni I pesi relativi al motore in questione e sono:
peso totale della struttura compresi motore, riduttore, scambiatori, castello
motore e liquidi(acqua e olio) è di circa 247 kg;
di cui, il peso del castello motore è di circa 16 kg, il peso del riduttore è di circa
7 kg, il peso dell’ intercooler e dell’aftercooler 12 kg,il peso della coppa della
lubrificazione a carter secco 3.7kg,il peso del giunto idraulico 6 kg.
Il peso dell’elica MTV-20 completa di tutto è calcolato 21kg,
A partire dagli studi fatti sul motore FIAT 1.9 JTD versione Avio, montato sul
banco prova, si è ricavato che il rapporto peso/potenza è 0.89. Tale risultato è in
linea con i migliori motori a benzina
Il motore diesel così potenziato ha lo stesso rapporto peso potenza dei
motori a benzina con consumi dimezzati. Sia per il costo del carburante
(JP4 invece che benzina avio), sia per il consumi è particolarmente
conveniente
Riprogettando integralmente il motore è possibile ottenere un rapporto
peso potenza nettamente migliore rendendo forse il motore competitivo
(come peso/potenza) rispetto ad un gruppo turbopropulsione di analoga
potenza
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Conclusioni
Grazie agli alleggerimenti descritti e grazie all’aumento della potenza
del motore a 300 CV con pressione in camera di combustione di 180
bar e con r = 15.5, il rapporto peso/potenza sarà 0.9. Ecco che
l’obbiettivo prefissato è raggiunto.
In conclusione, possiamo dire che il rapporto peso/potenza
di 1 Kg/CV è raggiungibile e anche superabile.
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Soluzione Pensata
Per portare al limite il motore si è pensato di effettuare una doppia
sovralimentazione e una doppia interrefrigerazione in serie
In questo modo, visto che al massimo i turbocompressori utilizzati per
l’autotrazione possono raggiungere livelli di βc=3, si riescono a raggiungere
valori pressoché pari al doppio del caso monocompresso
La regolazione del sistema di sovralimentazione viene eseguita con una sola
wastegate alloggiata nella seconda turbina e comandata pneumaticamente
da un impianto ad aria compressa.
Installazione di un interrefrigeratore (intercooler) e di un postrefrigeratore
(aftercooler)