ALMAMATER STUDIORUM UNIVERSITA DI BOLOGNA Seconda facoltà di ingegneria sede di Forlì

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1 ALMAMATER STUDIORUM UNIVERSITA DI BOLOGNA Seconda facoltà di ingegneria sede di Forlì CORSO DI LAUREA IN INGEGNERIA MECCANICA A.A Tesi di laurea di: Alberto Magnani Relatore: Prof. Ing. Luca Piancastelli 1

2 MOTORE FIAT 1.3 JTDm 16V Diesel con sistema di iniezione common rail JTDm= MultiJet Turbo Diesel Cilindrata totale: 1248 cm 3 frazonata su 4 cilindri in linea Alesaggio 69.6, Corsa 82 Potenza max 51 kw Massa 130 kg 2

3 Obiettivi: Costruzione di un modello monodimensionale del motore con il programma di calcolo GT-Power Simulazione di funzionamento del modello Validazione del modello Aumento delle prestazioni: simulazioni con turbocompressore maggiorato Confronto prestazionale dei dati ottenuti Prove in quota in vista dell utilizzo areonautico del motore 3

4 GT-Power GT-Power è un software per la simulazione del ciclo motore. L interfaccia presenta una libreria con elementi grezzi che andranno a completare il nostro modello e nei quali verranno inseriti i dati del nostro propulsore, un piano di lavoro nel quale verrà assemblato il modello collegando i vari elementi, un compilatore che mostrerà la simulazione in corso d opera. GT-Post è lo strumento di GT-Power che rappresenta per via grafica tutti i risultati in diverse forme: grafici, tabelle numeriche e animazioni dell esperimento effettuato. 4

5 Modellazione in GT-Power 5

6 Turbocompressore Il turbocompressore scelto per riprodurre le prestazioni del 1.3 JTDm automibilistico è il Garret 1544, molto simile al Borg-Warner KP35 (KKK) montato di serie. MAPPA COMPRESSORE MAPPA TURBINA 6

7 Inserimento mappa turbina e compressore Punto per punto si riportano nella mappa di compressore e turbina : Velocità di rotazione Portata d aria Rapporto di compressione Efficienza 7

8 Simulazione di funzionamento Si fa funzionare il motore in condizoni atmosferiche standard (pressione 1 bar, temperatura aria 300 K) A 1400,1600,1800, 2000, 2200, 2400, 2600, 2800, 3000, 3200, 3400, 3600, 3800, 4000, 4200,4400 rpm Simulazione di funzionamento del motore per 500 cicli 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. 8

9 Confronto tra simulazione e dati forniti da costruttore Per tenere conto delle perdite all'interno del motore per quanto concerne i dati del mio modello verrà utilizzato un coefficiente riduttivo di 0.87, si ipotizza dunque un 13% di perdite. Potenza (kw) 1500 rpm 2000 rpm 2500 rpm 3000 rpm 3500 rpm 4000 rpm Dati Fiat Dati simulati (-13%)

10 Confronto tra simulazione e dati forniti da costruttore 10

11 Confronto tra simulazione e dati forniti da costruttore Coppia (Nm) 1500rpm 2000rpm 2500rpm 3000rpm 3500rpm 4000rpm Dati dichiarati da Fiat Dati simulati (-13%)

12 Confronto tra simulazione e dati forniti da costruttore 12

13 Validazione del modello Andamento generale delle curve di potenza/coppia mostra che il modello è verosimile Il modello risulta accettabile come modello di partenza per le successive simulazione con un differente gruppo turbocompressore 13

14 Aumento delle prestazioni Per utilizzo areonautico ho bisogno di un considerevole incremento di potenza Il modo migliore è agire sul sistema di sovralimentazione: l'adattamento di un intercooler e di un gruppo turbocompressore maggiorati sono il metodo più semplice ed economico per ottenere i risultati desiderati Per quanto riguarda la scelta del turbocompressore si è optato per la scelta di un turbocompressore a geometria variabile 14

15 Turbocompressore a Geometria Variabile Permette un notevole aumento di prestazione rispetti ai più classici turbocompressori a geometria fissa. La girante motrice è circondata da palette mobili il cui movimento, controllato dalla centralina elettronica, determina la variazione dell'angolo d'incidenza dei gas di scarico con le palette della girante stessa. In funzione del regime di rotazione, queste vengono chiuse o aperte per favorire la velocità o la portata a seconda dei regimi stessi. Vani aperti Vani chiusi A bassi regimi le palette sono chiuse, aumentando il regime di rotazione del motore, il distributore viene progressivamente aperto. 15

16 Turbina a Geometria Variabile Del turbocompressore scelto non vengono fornite le mappe, si sono allora scelte tre turbine a geometria fissa dal catologo Garret, che elaborassero portate simili alla turbina a geometria variabile nelle diverse posizioni delle palette: Palette chiuse: GT1544 Palette a metà: GT2052 Palette aperte: GT

17 Turbina a Geometria Variabile Si sono inserite le mappe delle tre turbine nell oggetto turbina, in differenti rack position : Con riferimento ai livelli di Portata in Massa (Mass Flow) elaborati si è modificato il Case-Setup in modo che cambiasse la rack position della turbina a diversi regimi. Simulando così l apertura delle pale della geometria variabile. Sono stati inoltre aggiunti diversi punti di funzionamento, ad un regime di giri compreso tra 1600 fino ad arrivare a 5800 rpm; si è provveduto ad aumentare ulteriormente le masse di gasolio iniettate per ciclo, e i valori di anticipo. 17

18 Risultati simulazione Confronto con il motore iniziale: 18

19 Risultati simulazione Confronto con il motore iniziale: 19

20 Risultati simulazione Confronto con il motore iniziale: il comportamento del modello è radicalmente cambiato: date le dimensioni considerevoli del gruppo turbocompressore abbiamo una curva di potenza che ha picco massimo ad un maggior numero di giri, e una curva di coppia che ha un andamento totalmente diverso un motore aeronautico si utilizza principalmente dal 50 al 100% della potenza; avere potenza massima e picco di coppia ad alto numero di giri è ciò che volevamo! 20

21 Utilizzo areonautico Volendo utilizzare il motore in campo areonautico 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 a tale altitudine di K e una pressione di bar (ISA) La simulazioni in quota sono state effettuate a tre regimi di potenza differenti : 50% 75% 100% 21

22 Simulazioni in quota 50% della potenza massima, a 3500rpm: Il motore mantiene livelli accettibili di pressione in camera di combustione fino al case 12 (5500m), dopodichè le pressioni risultano inferiori ai 90 bar (che abbiamo identificato come pressione minima accettabile) 22

23 Simulazioni in quota 75% della potenza massima, a 4200rpm: La pressione rimane superiore ai 90 bar sino al case 11 (5000m) 23

24 Simulazioni in quota 100% della potenza massima, a 5500rpm: si raggiunge la pressione limite in camera di combustione al case 10 (4500m) 24

25 Risultati simulazioni in quota Il motore non funziona sino ad una quota di 6500 metri, risulta comunque funzionante fino ad una quota soddisfacente, tra i 4500 e i 5500 metri L abbassamento della pressione atmosferica con l aumento della quota porta ad un netto calo delle pressioni in camera di combustione nonchè la diminuzione delle prestazioni del motore! Per ovviare a questo si potrebbe inserire una seconda turbina allo scarico in posizione antecedente rispetto a quella già presente, ed il corrispettivo compressore all aspirazione, subito dopo quello precedentemente inserito; che compensino l abbassamento della densità dell aria 25

26 Conclusioni Sono stati conseguiti gli obiettivi prefissati, in particolare: La costruzione di un modello monodimensionale che ricalcasse le caratteristiche tecniche del motore stesso La validazione del modello tramite il confronto con i dati ricavati al banco prova. Aumento delle prestazioni tramite utilizzo di un nuovo turbocompressore La valutazione delle prestazioni del motore in quota tramite simulazioni a punto fisso 26

27 Grazie per l attenzione 27