Studio monodimensionale del motore FIAT 2.0 Multijet Avio

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1 ALMA MATER STUDIORUM UNIVERSITÀ DI BOLOGNA Seconda Facoltà di Ingegneria Sede di Forlì CORSO DI LAUREA IN INGEGNERIA AEROSPAZIALE A.A Studio monodimensionale del motore FIAT 2.0 Multijet Avio Candidato: Emanuele Sabba Relatore: Chiar.mo Prof.Ing. Luca Piancastelli Anno Accademico:

2 Motore FIAT 2.0 Multijet Turbo diesel con sistema di iniezione common rail Cilindrata totale: 1956 cm 3 frazionata su 4 cilindri in linea; 4 valvole per cilindro. Distribuzione a cinghia Alesaggio : 83 mm Corsa : 90.4 mm rapporto di compressione: 16,5:1 Potenza: 165 CV a rpm Coppia: 350 Nm a rpm

3 Obiettivi dello studio: Costruzione di un modello monodimensionale del motore per il programma di calcolo GT-Power Scelta del gruppo turbocompressore per il motore in esame Simulazione di funzionamento del modello Validazione dei risultati ottenuti tramite il confronto con i dati ottenuti al banco prova Prova in quota del motore in vista di un utilizzo aeronautico

4 Costruzione del modello Suddivisione propulsore in tre macro settori: Scarico Gruppo motore Aspirazione

5 Modello completo su GT-Power ASPIRAZIONE BLOCCO MOTORE SCARICO

6 Modello completo su GT-Power TESTA I N T E R C O O L E R COLLETTORE DI ASPIRAZIONE COLLETTORE DI SCARICO COMPRESSORE BASAMENTO TURBINA FILTRO ARIA TERMINALE

7 Turbocompressore GT2056 Il I grafici gruppo sottostanti turbocompressore rappresentano con le le caratteristiche mappature di richieste compressore è il GT2056. e turbina Mappa compressore Mappa turbina TURBINA COMPRESSORE

8 Inserimento mappa turbocompressore Caratteristiche compressore: Velocità massima: rpm Portata massica: 30 lb/min Rapporto di compressione: 3.5 Rendimento: 78 %

9 Gestione alzata valvole L alzata della valvola è gestita dalla forma della camma; il momento di massima alzata, dalla fasatura rispetto all albero motore. I valori vengono inseriti nel modello con una discretizzazione di 0.5

10 Grandezze che gestiscono il modello La gestione delle combustioni avviene regolando i due parametri principali che caratterizzano le combustioni: Anticipo di iniezione: posizione, definita in gradi prima del punto morto superiore, alla quale avviene l iniezione di carburante Quantità introdotta: Quantità di carburante iniettata per ogni ciclo. Questa a sua volta deriva dalla pressione nel circuito del carburante e dal tempo di apertura del iniettore I parametri vengono introdotti nel case setup; la grandezza di riferimento è il numero di giri al minuto del motore, le altre vengono inserite di conseguenza al punto di funzionamento

11 Simulazione di funzionamento Si riproduce il funzionamento del motore in condizioni atmosferiche standard (densità dell aria di 1 bar, temperatura dell aria di 300 K) Partendo da 2000 rpm, ogni 250 rpm, fino al valore massimo di 3800 rpm Il programma registra per ogni componente i valori calcolati in ogni punto di funzionamento del motore Per ogni punto si effettua una ottimizzazione Si confrontano i dati con quelli verificati sperimentalmente

12 Compressore: Punti di funzionamento: Il compressore non lavora nella zona di massima efficienza, i punti di funzionamento si trovano intorno ad un rendimento del 76%. Si tratta comunque di una condizione realistica che permette di considerare il componente utilizzabile sul modello

13 Turbina: Punti di funzionamento: Anche la turbina si trova in un punto di funzionamento non ottimale, questo è causato dal fatto che il gruppo è sovradimensionato in previsione di un utilizzo in quota.

14 Rapporto aria / carburante: Punti di funzionamento: Questa grandezza permette di capire se le combustioni avvengono in maniera corretta, parametri realistici per un diesel hanno dei valori compresi tra 15 e 20 La gestione della quantità introdotta e dell anticipo ha permesso di mantenere questa grandezza all interno dei valori ottimali, soprattutto ai più alti regimi.

15 Potenza: Punti di funzionamento: La potenza cresce linearmente con il numero di giri, questo parametro permette di comprendere che il modello è stato costruito correttamente

16 Confronto valori di potenza tenendo conto delle perdite Il confronto è stato fatto prendendo i dati rilevati dal banco prova con quelli ottenuti dalle simulazioni con il modello ottimizzato. Si considera una diminuzione di circa il 20% rispetto ai dati ottenuti per tenere conto delle perdite dovute all attrito e del rendimento organico del motore 2000 rpm 2500 rpm 3500 rpm 3800 rpm Banco prova 60 CV 102 CV 143 CV 165 CV Simulazione (-20%) 56 CV 71 CV 145 CV 163 CV Il modello risulta ottimizzato ai regimi più elevati, le potenze erogate risultano simili al quelle del motore automobilistico

17 Sviluppo del modello in vista di un utilizzo aeronautico Volendo utilizzare il motore nel campo aeronautico se ne deve verificare il funzionamento in quota, dove si ha una diminuzione di densità e temperatura dell ambiente esterno. Si esegue una simulazione di funzionamento del motore alla massima potenza variando la quota di 500 m fino alla quota di tangenza.

18 Risultati della simulazione A causa della diminuzione della pressione dell aria esterna, il compressore oltre 4000 m non raggiunge i valori di pressione richiesti dal motore e lavora fuori dalla mappa di funzionamento. Le potenze erogate, sebbene diminuiscano, mantengono valori vicini a quella ottenuta a quota zero grazie al lavoro svolto dalla sovralimentazione

19 Conclusioni Sono stati conseguiti tutti gli obiettivi prefissati, in particolare: La costruzione e la simulazione di funzionamento del modello realizzato. L analisi dei dati conseguiti dalla simulazione. Utilizzo del modello per ideare un miglioramento del motore in vista di un impiego aeronautico. I risultati ottenuti indicano che il modello sviluppato è verosimile. Un lavoro futuro per l ottimizzazione del modello potrebbe essere l inserimento della wastegate.