studio di massima di un sistema di iniezione diretta … internet/catalogo tesi... · convertito da...

Università degli Studi di Bologna

Anno Accademico 2001/2002Tesi di Laurea di Bonifacio Grisolia

UNIVERSITAUNIVERSITA’’ DEGLI STUDI DI BOLOGNADEGLI STUDI DI BOLOGNA

FACOLTAFACOLTA’’ DI INGEGNERIADI INGEGNERIA

Corso di Laurea in Ingegneria Meccanica

Disegno Tecnico Industriale

STUDIO DI MASSIMA DI UN SISTEMA DI INIEZIONE

DIRETTA PER UN MOTORE AERONAUTICO

Tesi di laurea di: Relatore:

BONIFACIO GRISOLIA Prof. Ing. LUCA PIANCASTELLI

Correlatori:

Prof. Ing. FRANCO PERSIANI

Prof. Ing. GIANNI CALIGIANA

Dott. Ing. FERDINANDO LUPPINO

ANNO ACCADEMICO 2001-2002

STUDIO DI MASSIMA DI UN SISTEMA DI INIEZIONE

DIRETTA PER UN MOTORE AERONAUTICO

Tesi di laurea di: Relatore:

BONIFACIO GRISOLIA Prof. Ing. LUCA PIANCASTELLI

Correlatori:

Prof. Ing. FRANCO PERSIANI

Prof. Ing. GIANNI CALIGIANA

Dott. Ing. FERDINANDO LUPPINO

ANNO ACCADEMICO 2001-2002



OBIETTIVI DELLA TESI:OBIETTIVI DELLA TESI:

� Individuazione di una

configurazione affidabile al

99.99% in 3000 h di

funzionamento del FADEC

(Full Authority Digital

Electronic Control) per un

motore diesel common rail

convertito da auto a avio

(Requisito JAR/FAR)

� Progetto di massima di un

sistema di controllo per la

compensazione della quota del

turbocompressore.

� Individuazione di una

configurazione affidabile al

99.99% in 3000 h di

funzionamento del FADEC

(Full Authority Digital

Electronic Control) per un

motore diesel common rail

convertito da auto a avio

(Requisito JAR/FAR)

� Progetto di massima di un

sistema di controllo per la

compensazione della quota del

turbocompressore.

Lo studio in oggetto si inserisce all’interno di un progetto di ricerca che

mira allatrasformazione di un motore Diesel di

derivazione automobilistica in un propulsore

DIESELper velivoli monoelica da turismo.

Lo studio in oggetto si inserisce all’interno di un progetto di ricerca che

mira allatrasformazione di un motore Diesel di

derivazione automobilistica in un propulsore

DIESELper velivoli monoelica da turismo.



Configurazioni FADEC attuali(Motori aeronautici a turbina)

ECU

ECU

Fadec 1- masterFadec 1- master

Fadec 2-slaveFadec 2-slave

Attuatori

SENSORISENSORI

SENSORISENSORI

SENSORISENSORI

SENSORISENSORI

+SISTEMA DI BACKUP MANUALE PER LA REGOLAZIONE DEL

FLUSSO DI CARBURANTE

+SISTEMA DI BACKUP MANUALE PER LA REGOLAZIONE DEL

FLUSSO DI CARBURANTE



Raccolta dati rotture

FADEC

auto Elaborazione dati

Ricerca sensori piùaffidabili e definizione configurazione

affidabile al 99,99% mista acomponenti auto

Definizione sistema meccanico per compensazione

della quota

Definizione sistema elettromeccanico per compensazione

della quota

FLUSSO DI LAVOROFLUSSO DI LAVOROFLUSSO DI LAVORO



� PROVINCIA DI BOLOGNA

� ULTIMI 2 ANNI

� SI TRASCURANO I PROBLEMI AI CONNETTORI

� SOLTANTO LE OFFICINE AUTORIZZATE PIU’GRANDI

� SOLTANTO un motore (1900 jtd su Fiat e Alfa)

� SOFTWARE DI ANALISI AFFIDABILISTICA RELEX 7.5

� PROVINCIA DI BOLOGNA

� ULTIMI 2 ANNI

� SI TRASCURANO I PROBLEMI AI CONNETTORI

� SOLTANTO LE OFFICINE AUTORIZZATE PIU’GRANDI

� SOLTANTO un motore (1900 jtd su Fiat e Alfa)

� SOFTWARE DI ANALISI AFFIDABILISTICA RELEX 7.5

DATI INDAGINE STATISTICA JTD AUTO

DATI INDAGINE STATISTICA JTD DATI INDAGINE STATISTICA JTD

AUTOAUTO



050002ATTUATORE RAIL

008041510POTENZIOMETRO

ACCELERATORE

000000ATTUATORE ARIA

702302FASE CAMMA

0010006R.P.M. ALBERO

1010901520150DEBIMETRO

621002030Sens. PRESSIONE RAIL

ALTA

832001025Sens. PRESSIONE RAIL

BASSA

002000Sens. TEMPERATURa

GASOLIO

0020000Sens. TEMPERATURA

ACQUA

001001CENTRALINA

Intervista

6

Intervista

5

Intervista

4

Intervista

3

Intervista

2

Intervista

1Sede guasto

DATI INDAGINE STATISTICA JTD

AUTO

DATI INDAGINE STATISTICA JTD

AUTO



Statistica rotture

20

2

295

16

7

68

66

109

7

0

temp. acqua

temp. gasolio

debimetro

r.p.m. albero

fase camma

press. rail alta

press. rail bassa

potenz. accel

attuat. press. rail

attuat. aria

se

ns

ori

e a

ttu

ato

ri

rotture

DATI INDAGINE STATISTICA JTD AUTO

DATI INDAGINE STATISTICA JTD DATI INDAGINE STATISTICA JTD

AUTOAUTO



DEBIMETROλ = 295

4000*600

ESEMPIO

λ = Rateo di guasto = n°rotture/tempoλ = Rateo di guasto = n°rotture/tempo

� Parco circolante medio = 4000 vetture

� UTILIZZO MEDIO ORE/ANNO*AUTO= 600

Calcolo diCalcolo di λ



OBIETTIVI AFFIDABILITA’

AVIO

OBIETTIVI AFFIDABILITA’

AVIOAVIO

Affidabilità 99,99 % in 3000 ore di volo:

�Guasto tollerato-> funzionamento non

ottimale del motore (aumento dei consumi)

�Guasto non tollerato-> perdita di potenza

del motore

Affidabilità 99,99 % in 3000 ore di volo:

�Guasto tollerato-> funzionamento non

ottimale del motore (aumento dei consumi)

�Guasto non tollerato-> perdita di potenza

del motore



Sensore

TEMPERATURA

ACQUA

Sensore

TEMPERATURA

GASOLIO

DEBIMETRO

Sensore

PRESSIONE RAIL

ALTA

Sensore

PRESSIONE RAIL

BASSA

Sensore

R.P.M. ALBERO

Sensore

FASE CAMMA

POTENZIOMETRO

ACCELERATORE

ATTUATORE

ALTA

PRESSIONE

ATTUATORE

ARIA

INIETTORI

ECU

LINEA CAN (CONTROL AREA NETWORK)

FADEC COMMON RAIL autoFADEC COMMON RAIL auto

ECU



Albero dei guastiAlbero dei guasti

Gestione dei parametri non ottimale

+

Caduta di potenza del motore

LEGENDA

• 1 Centralina

• 2 Pressione rail alta

• 3 Pressione rail bassa

• 4 Temp. gasolio

• 5 Temp. acqua

• 6 Fase camma

• 7 Debimetro

• 8 R.P.M. albero

• 9 Potenziometro

• 10 Attuatore rail

• 11 Iniettori

1 2 93 4 5 6 107 8

( top event)( top event)

11



Risultato dell’indagine statistica:

AFFIDABILITA’ DEL SISTEMA AUTO

JTD 1.9 in 3000 h si ha il funzionamento

ottimale nel:

Risultato dell’indagine statistica:

AFFIDABILITA’ DEL SISTEMA AUTO

JTD 1.9 in 3000 h si ha il funzionamento

ottimale nel:

1 2 93 4 5 6 107 8



Margini di miglioramento ridondando

ciascun componente


ciascun componente

53,4

53,6

53,8

54

54,2

54,4

54,6

54,8

55

1 2 3 4 5 6numero sensori

% a

ffid

ab

ilià

potenziometro

51,4

51,5

51,6

51,7

51,8

51,9

52

1 2 3 4 5numero sensori

% a

ffid

ab

ilità

pressione rail bassa

58

60

62

64

66

68

70

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10numero sensori

% a

ffidabili

tà

debimetro

51,4

51,5

51,6

51,7

51,8

51,9

52

1 2 3 4 5numero sensori

% a

ffid

ab

ilità

pressione rail alta




ciascun componente


ciascun componente

48,263

48,264

48,265

48,266

48,267

48,268

48,269

48,27

1 2 3numero sensori

% a

ffidabili

tà

fase camma

49,015

49,02

49,025

49,03

49,035

49,04

49,045

49,05

49,055

49,06

49,065

1 2 3 4

numero sensori

% a

ffidabili

tà

temperatura acqua

47,96845

47,9685

47,96855

47,9686

47,96865

47,9687

47,96875

47,9688

47,96885

47,9689

47,96895

1 2

numero centraline

% a

ffidabili

tà

centralina

48,635

48,64

48,645

48,65

48,655

48,66

48,665

48,67

1 2 3 4numero sensori

% a

ffidabili

tà

r.p.m. albero




ciascun componente


ciascun componente

47,96845

47,9685

47,96855

47,9686

47,96865

47,9687

47,96875

47,9688

47,96885

47,9689

47,96895

1 2numero sensori

% a

ffid

ab

ilità

temperatura gasolio

48,113

48,114

48,115

48,116

48,117

48,118

48,119

48,12

1 2

numero attuatori

% a

ffid

ab

ilità

attuatore rail



Risultati ottenuti per funzionamento

ottimale 3000h

Risultati ottenuti per funzionamento

ottimale 3000h�Ridondando gli elementi fino al limite di

saturazione

�Imponendo una strategia di rilevamento del

guasto ( es. disponibilità di 2 su 3 su un

parallelo di 3 elementi)

�Ridondando gli elementi fino al limite di

saturazione

�Imponendo una strategia di rilevamento del

guasto ( es. disponibilità di 2 su 3 su un

parallelo di 3 elementi)



Obiettivi di missione (in Recovery)Obiettivi di missione (in Recovery)

�Affidabilità 99,99 %

� 3000 ore di volo

Albero dei guastiAlbero dei guasti

Caduta di potenzadel motore

Pressione

Rail alta

Attuatore

railR.P.M.

alberocentralina

( top event)( top event)

Funzionamento del motore in condizioni critiche :

Elevati consumi ed emissioni inquinanti

Funzionamento del motore in condizioni critiche :

Elevati consumi ed emissioni inquinanti

Condizioni di sicurezza



AFFIDABILITA’ IN

CONFIGURAZIONE RECOVERY

AFFIDABILITA’ IN

CONFIGURAZIONE RECOVERY

Pressione

Rail alta

Attuatore

railR.P.M.

alberocentralina

(SCHEMA DI CALCOLO)




ciascun componente


ciascun componente

89,796

89,798

89,8

89,802

89,804

89,806

89,808

89,81

1 2 3 4numero attuatori

% a

ffidabili

tà

attuatore rail

95,8

96

96,2

96,4

96,6

96,8

97

1 2 3 4 5 6

numero sensori

% a

ffid

ab

ilità

PRESSIONE RAIL ALTA

89,2473

89,2474

89,2475

89,2476

89,2477

89,2478

89,2479

89,248

89,2481

89,2482

1 2 3 4

numero centraline

% a

ffid

ab

ilità

centralina

90,77

90,78

90,79

90,8

90,81

90,82

90,83

1 2 3 4numero sensori

% a

ffidabili

tà

R.P.M albero




saturazione

� Imponendo una strategia di rilevamento del

guasto ( es. disponibilità di 2 su 3 su un parallelo

di 3 elementi)


saturazione

� Imponendo una strategia di rilevamento del

guasto ( es. disponibilità di 2 su 3 su un parallelo

di 3 elementi)

Risultati ottenutiRisultati ottenuti

99,99022 (1/2)5(3/5)7 (4/7)2 (1/2)Conf.3

99,702 (1/2)5 (3/5)5 (3/5)2 (1/2)Conf 2

97,992 (1/2)3 (2/3)3 (2/3)2 (1/2)Conf.1

affidabilità

%

Attuatore

rail

R.P.M.

albero

Pressione

rail alta

centralina



Configurazione con componenti auto

Configurazione con componenti auto

ATTUATORE

ALTA

PRESSIONE

INIETTORI

ECU

ECUATTUATORE

ALTA

PRESSIONE

(master)

(slave)

½ stand-by½ stand-by


Valore affidabilità99, 99%

7 sensori

Pressione

rail alta

5 sensori

R.P.M.

albero



�Configurazione affidabile molto costosa

�Elevato numero di sensori

�Difficoltà fisiche di installazione degli stessi

�Ricerca di nuovi sensori più affidabili

�Configurazione affidabile molto costosa

�Elevato numero di sensori

�Difficoltà fisiche di installazione degli stessi

�Ricerca di nuovi sensori più affidabili

CONSIDERAZIONICONSIDERAZIONI



Gear-Tooth Sensor

ELEVATO MTBF

Sensori per applicazioni

aeronautiche

MTBF = 1/λ= 500.000 ORE

SOLUZIONI DISPONIBILI SUL

MERCATO

SOLUZIONI DISPONIBILI SUL

MERCATO



PRESSIONE RAIL

ALTA

R.P.M. ALBERO

ATTUATORE

ALTA

PRESSIONE

INIETTORI

ECU

PRESSIONE RAIL

ALTA

PRESSIONE RAIL

ALTA

R.P.M. ALBERO

R.P.M. ALBERO

ECUATTUATORE

ALTA

PRESSIONE

(master)

(slave)

CONFIGURAZIONE proposta 1CONFIGURAZIONE proposta 12/3

2/3

Parallelo caldo

Parallelo caldo






CONFIGURAZIONE proposta 2CONFIGURAZIONE proposta 2Ridondanza in Stand-by

Ridondanza in Stand-by

PRESSIONE RAIL

ALTA

R.P.M. ALBERO

PRESSIONE RAIL

ALTA

R.P.M. ALBERO ATTUATORE

ALTA

PRESSIONE

ATTUATORE

ALTA

PRESSIONE

INIETTORI

ECU

ECU

mastermaster

slaveslaveValore affidabilità

99, 99%



�Nei motori aeronautici sovralimentati si compensa la diminuzione della potenza fino alla quota di ripristino

�Nei motori Diesel il raggiungimento di quote di ripristino accettabili è critico, in quanto è presente una sovralimentazione decisamente “spinta” beta=3.2 anche a terra.

Quota di ripristinoQuota di ripristino



CONTROLLO DEL TURBOCOMPRESSORE

(obiettivi)

� Compensazione della quota

� Limitazione della pressione di sovralimentazione

� Apertura della valvola (west-gate) ad un valore di pressione manifoldmax costante al variare della quota

� Limitazione del numero di giri ( pericolo di fuga del compressore in prossimità della quota di ripristino

Q.R.

S.L.

Z

Pmax manifold

Pericolo di fuga del compressore



�Attuatore meccanico tipo “ North American Thunderbolt P47 D”

� Vantaggi: semplicitàaffidabilitàdispositivo collaudato

� Svantaggi: attrito di primo distacco fra le parti scorrevoli->poca precisionetaratura problematica

� Attuatore elettromeccanico certificato “utilizzato per il controllo dei flap in velivoli da turismo”

� Vantaggi: dispositivo collaudato precisionemodulabilità

� Svantaggi: minore affidabilità

�Attuatore meccanico tipo “ North American Thunderbolt P47 D”

� Vantaggi: semplicitàaffidabilitàdispositivo collaudato

� Svantaggi: attrito di primo distacco fra le parti scorrevoli->poca precisionetaratura problematica

� Attuatore elettromeccanico certificato “utilizzato per il controllo dei flap in velivoli da turismo”

� Vantaggi: dispositivo collaudato precisionemodulabilità

� Svantaggi: minore affidabilità

Dispositivi scelti per il controlloDispositivi scelti per il controllo

(requisiti richiesti : Affidabilit(requisiti richiesti : Affidabilitàà))



)membrana

S*P()valvola

S*aatmosferic

(Pmolla

Fvalvola

S*turbina

Pv

∆++=

Attuatore meccanicoAttuatore meccanicoAttuatore meccanico

LEGGE DI EQUILIBRIO ATTUATORE -VALVOLA aatmosfericmanifoldPP −=∆

vP



Attuatore elettromeccanicoAttuatore elettromeccanicoAttuatore elettromeccanico



Affidabilità del sistema con attuatore elettromeccanico

Affidabilità del sistema con attuatore elettromeccanico

PRESSIONE RAIL

ALTA

R.P.M. ALBERO

ATTUATORE

ALTA

PRESSIONE

INIETTORI

ECU

PRESSIONE RAIL

ALTA

PRESSIONE RAIL

ALTA

R.P.M. ALBERO

R.P.M. ALBERO

ECU ATTUATORE

ALTA

PRESSIONE

(master)

(slave)

2/3

2/3

Parallelo caldo

Parallelo caldo




N-°rotture 1/2000000 in 3000 ore di funzionamentoN-°rotture 1/2000000 in 3000 ore di funzionamento



�I sensori in dotazione per uso automobilistico non

garantiscono l’affidabilità richiesta

�E’ necessario, per raggiungere l’obbiettivo del 99,99 %, far

ricorso a nuovi sensori concepiti per utilizzo aeronautico ed

applicare una ridondanza di tipo Hardware

�Si evince inoltre da tale studio che l’affidabilità della

centralina in dotazione non va ad inficiare l’affidabilità del

sistema di controllo

�Non si è ipotizzata una ridondanza di tipo software perché

l’affidabilità del software è un grosso problema nei sistemi

aeronautici attuali e la strategia è quella di ridurlo al minimo

indispensabile.

CONCLUSIONICONCLUSIONICONCLUSIONI

studio di massima di un sistema di iniezione diretta … internet/catalogo tesi... · convertito da...

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