Studio ed ottimizzazione di un modello monodimensionale del motore Fiat 1.9 JTD Avio

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1 ALMA MATER STUDIORUM UNIVERSITÀ DI BOLOGNA Seconda Facoltà di Ingegneria Sede di Forlì CORSO DI LAUREA IN INGEGNERIA MECCANICA A.A Data di presentazione della tesi: 13 ottobre 2010 Studio ed ottimizzazione di un modello monodimensionale del motore Fiat 1.9 JTD Avio Tesi di laurea di: Andrea Garattoni Relatore: Chiar.mo Prof.Ing. Luca Piancastelli 1 di 23

2 Motore Fiat 1.9 JTD Avio Diesel con sistema di iniezione common-rail Cilindrata totale: 1910 cm 3 frazionata su 4 cilindri in linea. JTD= unijet TurboDiesel Alesaggio : 82 mm Corsa : 90.4 mm 2 di 23

3 Obiettivi: Scelta del gruppo turbocompressore per il motore in esame Costruzione di un modello monodimensionale del motore per il programma di calcolo GT-Power 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 aereonautico 3 di 23

4 Scelta del turbocompressore Si calcolano W eff e Π partendo dai parametri di riferimento del motore così come viene indicato nel catalogo Garrett da cui si scelgono turbina e compressore. Si ricava: Portata d aria effettiva (W eff ) : lb/min Rapporto di compressione (Π ): di 23

5 Scelta del turbocompressore Per effettuare la scelta definitiva della turbina si è proceduto per iterazione La turbina che possedeva i dati di portata e di rapporto di compressione ricavati era la Soluzione scartata perché dava un consistente aumento di pressione solo ad alto numero di giri 5 di 23

6 Turbocompressore GT1548 Il gruppo turbocompressore con le caratteristiche migliori è il GT1548. Mappa compressore Mappa turbina 6 di 23

7 Modellazione su GT-Power 7 di 23

8 Inserimento mappa compressore e turbina 8 di 23

9 Inserimento mappa turbina Portata gas di scarico Rapporto di compressione 9 di 23

10 Valvola wastegate La valvola wastegate serve per diminuire la pressione in turbina quando questa oltrepassa il valore limite consentito. Senza di essa la velocità di rotazione di turbina e compressore aumenterebbe indefinitivamente compromettendo l affidabilità del gruppo turbocompressore. 10 di 23

11 Inserimento wastegate nel modello L azionamento a molla della valvola reale viene modellato con un PID controller 11 di 23

12 Simulazione di funzionamento Si fa funzionare il motore in condizioni atmosferiche standard (densità dell aria di 1 bar, temperatura dell aria di 300 K ) A 1400,1600,1800, 2000, 2200, 2400, 2600, 2800, 3000, 3200, 3400, 3600, 3800, 4000 rpm. Simulazione di funzionamento del motore per 100 secondi ad ogni valore della velocità di rotazione. Il programma registra tutti i valori di coppia, potenza, temperatura, pressione ecc per ogni stadio di funzionamento del motore. I dati da banco sono disponibili a 2000, 2500, 3500 rpm. 12 di 23

13 Confronto valori di potenza/coppia tenendo conto delle perdite Si considera una ulteriore diminuzione di circa il 20% dei dati ottenuti per tenere conto del rendimento organico. Potenza (CV) / Coppia (Nm) 2000 rpm 2500 rpm 3500 rpm Banco prova 51 CV 179Nm 104 CV 292 Nm 144 CV 289 Nm Simulazione (-20%) 70 CV 248 Nm 96 CV 268 Nm 136 CV 274 Nm 13 di 23

14 Confronto tra coppia/potenza reale e simulata 200 Il confronto 190 è stato fatto prendendo i dati rilevati dal 170 banco prova con quelli ottenuti dalle simulazioni con wastegate meccanica I valori 130 di coppia/potenza ottenuti dalla simulazione 110 sono maggiorati rispetto a quelli 100 reali poiché la simulazione non tiene conto delle 80 w.g. mecc perdite 70 per attrito e del rendimento organico w.g. mecc banco banco 14 di 23

15 Validazione modello Il lieve discostamento tra i valori di potenza/coppia reali e simulati a bassi regimi è dovuto al fatto che la abbiamo puntato ad avere un motore in grado di erogare potenza e coppia elevati anche a basso numero di giri. Ad alti regimi la diminuzione di potenza/coppia del 20%, per tenere conto del rendimento organico, risulta essere ottimale L andamento generale delle due curve di potenza/coppia nel passaggio dai bassi agli alti regimi mostra che il modello è del tutto verosimile. 15 di 23

16 Confronto tra wastegate meccanica ed elettronica La vaste gate meccanica ci consente di impostare un unica pressione limite, cioè il boost, indipendentemente dal numero di giri. Quella a controllo elettronico ci consente di variare la pressione di boost ad ogni numero di giri in modo di ottenere le le condizioni ottimali nel compressore. 16 di 23

17 Grafici di potenza e coppia wastegate elettronica w.g. mecc w.g.ele tt banco w.g. mecc w.g.elett banco 17 di 23

18 Commenti Dai grafici si nota che il guadagno in termini di potenza e coppia utilizzando la wastegate elettronica non è elevato quanto ci aspettavamo. Con un miglior affinamento del modello si potranno ottenere potenze sicuramemte migliori 18 di 23

19 Utilizzo del modello per ideare un miglioramento del motore in vista di un utilizzo aereonautico Volendo utilizzare il motore nel campo dell aviazione civile se ne deve verificare il funzionamento in quota, dove si ha una diminuzione di densità e temperatura dell aria. Si fa una simulazione di funzionamento del motore da 0 a 6500 m ipotizzando una temperatura dell aria di K e una pressione di bar. 19 di 23

20 Risultati della simulazione A causa della diminuzione della densità dell aria esterna, il compressore oltre 2000 metri non riesce a raggiunge un valore di pressione sufficiente ad attivare la wastegate. Non aprendosi la turbina raggiunge velocità critiche che ne compromettono seriamente la resistenza. Dalla simulazione di funzionamento risulta evidente che, a causa della diminuzione di pressione generale all intero del motore a causa della quota, non si ha più la potenza necessaria per volare ad alta quota. 20 di 23

21 Risultati della simulazione Il motore assicura una potenza sufficiente solo fino ai metri. Se si volesse provare a modificare il progetto per volare fino a 6000m si potrebbe introdurre un secondo compressore per limitare le perdite di pressione causate dalla quota. 21 di 23

22 Accelerazione dinamica Consiste nel far accelerare il motore per un determinato periodo per poi farlo decelerare liberamente. La prova consente di determinare il comportamento del motore nei transitori 22 di 23

23 Conclusioni Sono stati conseguiti tutti gli obiettivi prefissati, in particolare: La scelta di un gruppo turbocompressore per il motore Fiat 1.9JTD Avio. La costruzione di un modello che ricalcasse le caratteristiche tecniche del motore stesso, con particolare attenzione per quel che riguarda l inserimento e il funzionamento della valvola wastegate nella turbina. La simulazione di funzionamento del modello realizzato. L analisi dei dati conseguiti dalla simulazione. La validazione del modello tramite il confronto con i dati ricavati al banco prova. Utilizzo del modello per ideare un miglioramento del motore in vista di un utilizzo aereonautico. 23 di 23