Studio della conversione di un motore Diesel Common Rail da automobilistico ad aeronautico per ottimizzare il rapporto peso/potenza

Transcript

1 Titolo della tesi Studio della conversione di un motore Diesel Common Rail da automobilistico ad aeronautico per ottimizzare il rapporto peso/potenza CANDIDATO: Marco Tellarini RELATORE: Prof. Ing. Luca Piancastelli 1

2 OBBIETTIVI Verifica di fattibilità del raggiungimento del rapporto peso/potenza di 1 Kg/CV Verifica dei limiti strutturali dei componenti del propulsore Determinazione massima potenza erogabile Alleggerimento motore Quesiti Quali sono i limiti strutturali dei componenti del propulsore e, in particolare del pistone, della testata e dell albero motore? Fino a che limite ci si può spingere, dato che l obiettivo non è stato ancora completamente raggiunto? Qual è la potenza massima erogabile dal motore? Si possono ridurre i pesi? È conseguibile il rapporto peso/potenza del motore di 1Kg/CV? 2

3 Punto Di Partenza CARATTERISTICHE TECNICHE: Cilindrata:1910 cm Numero di cilindri:4 in linea Diametro per corsa (cm): 82x90.4 Rapporto di compressione:18.5:1 Potenza max: 105 CV (in regime continuo 145 CV) Rpm max 4250 Alimentazione ad iniezione diretta Common Rail Turbosovralimentazione ed interrefrigerazione MODIFICHE AUTO -> AVIO sostituzione del turbocompressore con uno fisso a maggiore β; sostituzione albero motore con quello del motore 1,9jtd 16 V; adozione di iniettori a permeabilità maggiore; riduzione del rapporto di compressione da 18.5:1 a 15.5:1; sostituzione della coppa dell olio; sostituzione del cambio con un riduttore di velocità ad ingranaggi collegato 3 all elica;

4 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) 4

5 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 ricavata all interno del cielo del pistone. 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. 5

6 Risultati Ottenuti Con L analisi Agli Elementi Finiti Carico di funzionamento attuale 160 bar in camera, 140 sul resto del cielo Carico limite: 175 bar in camera e 160 sul resto del cielo Risultato: Coefficiente di sicurezza sempre maggiore o uguale a due 6

7 Durezza HRB Verifica della resistenza della testata Sulla testata sono state eseguite delle prove di durezza HRB in funzione di un riscaldamento e della durata variabile di esso. Mediante poi l ausilio del calcolatore si è stimato che il limite strutturale della testata è di 260 bar in camera di combustione Durezza HRB della lega GD-AlSi 9 in funzione del tempo e della temperatura Durezza a 247 C Durezza a 220 C Durezza a 200 C Durezza a 180 C Ore di riscaldamento 7

8 Risultati Ottenuti Con L analisi Agli Elementi Finiti per l Albero Motore Carico: pressione di 160 bar in camera (3800 rpm) Carico: pressione di 190 bar in camera Risultato: coefficiente di sicurezza sempre maggiore o uguale a due Limite strutturale raggiunto. Fattore di sicurezza intorno a 1,5 8

9 Considerazioni Risultati dello studio sono: Pressione massima ammissibile sul pistone 175bar Pressione massima ammissibile sulla testata: 260bar Pressione massima ammissibile per l albero motore: 190bar Fissando quindi come limite strutturale alla rottura del motore, la condizione più sfavorevole, cioè quella del pistone, si può chiaramente dedurre che si ha ancora a disposizione un discreto margine di incremento di pressione e di conseguenza di potenza massima ottenibile. È possibile quindi ora cercare di fare delle stime in termini di limite di potenza del motore FIAT 1900 jtd Common Rail 9

10 Determinazione Della Potenza Massima Attraverso il metodo per determinare la massima potenza erogabile dal motore si è arrivati a dire che il limite di potenza del motore risulterà di 240 CV, sia nella condizione in cui abbia una pressione nel cilindro di 200 bar con r = 15.5, sia nella condizione in cui la pressione sarà 175 bar con r = 12.1 (che è considerato il limite minimo del rapporto di compressione per l accensione del motore). La pressione di 200 bar non è raggiungibile, sia per il pistone che per l albero motore. Per concludere, sono stati eseguiti anche dei calcoli relativi ad una pressione di 175 bar e ad una potenza massima erogata di 210 CV con r =

11 Alleggerimento del motore E stato alleggerito con la progettazione di una nuova coppa dell olio e con un nuovo montaggio su Cessna

12 Sostituzione della coppa dell olio La soluzione proposta dal Centro Ricerche Fiat per l adattamento automobilistico all uso aeronautico è illustrata nelle figure seguenti Gli principali svantaggi di questa coppa sono: peso; costo; non si riesce a misurare il livello dell olio. Quindi c è la necessità di realizzare una nuova coppa dell olio. 12

13 Realizzazione di una nuova coppa dell olio La 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. 13

14 Nuovo montaggio su Cessna 337 La soluzione che adottata in questo studio è un nuovo tipo di montaggio su Cessna Model 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 problema 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. 14

15 Eliminazione riduttore Soluzione adottata Vantaggi con questa soluzione: guadagno di 28 Kg; coassialità tra albero motore ed albero elica; passaggio da 2500 a 3800 rpm; sostituzione elica; eliminazione problematiche del riduttore precedente. 15

16 Soluzione al problema geometrico Il problema geometrico della capottatura motore viene invece risolto con una modifica della prua dell aereo. Realizzazione di una prua a goccia 16

17 Assemblaggio definitivo Questa soluzione ha portato ad un alleggerimento di circa 35 Kg. Questo risultato ha portato all ottimizzazione del rapporto peso/potenza. La soluzione finale è illustrata nelle figura seguenti. 17

18 Conclusioni I pesi relativi al motore in questione e sono: il peso totale della struttura compresi motore, riduttore, scambiatori, castello motore e liquidi(acqua e olio) è di circa 220 Kg; il peso del castello motore è di circa 16 Kg; il peso del riduttore è di circa 28 Kg; il peso dei liquidi è di circa 11 Kg; il peso della coppa dell olio è di circa 3-4 Kg. 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 Tale risultato, però, non può soddisfare, come prevedevamo, le nostre esigenze, le quali erano di 1 Kg/CV. Alleggerendo la struttura con la sostituzione della coppa dell olio guadagneremo circa 3 Kg, mentre, con il nuovo montaggio su Cessna 337, guadagneremo circa 35 Kg. Sulla base delle condizioni dette sopra e mantenendo inalterata la potenza avrò un rapporto peso/potenza di 1.1. Anche questo risultato è al di sopra del nostro obbiettivo, ma comunque, molto vicino. 18

19 Conclusioni Grazie agli alleggerimenti descritti e grazie all aumento della potenza del motore a 210 CV con pressione in camera di combustione di 175 bar e con r = 15.5, il rapporto peso/potenza sarà Ecco che l obbiettivo prefissato è raggiunto. Sempre con gli alleggerimenti descritti in precedenza, ma con ulteriore aumento di potenza del motore a 240 CV con una pressione in camera di combustione di 175 bar e con r = 12.1, il rapporto può essere migliorato e risulterebbe Questo è il minimo rapporto raggiungibile. In conclusione, possiamo dire che il rapporto peso/potenza di 1 Kg/CV è raggiungibile e anche superabile. 19