ANALISI DELLE POSSIBILITA DI SVILUPPO DEL MOTORE FIAT 1900 JTD PER APPLICAZIONI AERONAUTICHE

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1 Titolo della tesi ANALISI DELLE POSSIBILITA DI SVILUPPO DEL MOTORE FIAT 1900 JTD PER APPLICAZIONI AERONAUTICHE CANDIDATO: Alessandro Spada RELATORE: Prof. Ing. Luca Piancastelli 1

2 Punto di Partenza CARATTERISTICHE TECNICHE DI BASE: Cilindrata:1910 cm 3 Numero di cilindri:4 in linea Alesaggio per corsa (cm): 82x90.4 Rapporto di compressione:18.5:1 Potenza max: 105 CV (77,22 kw) rpm max : 4250 Alimentazione ad iniezione diretta Common Rail Turbosovralimentazione, e interrefrigerazione (aftercooler) MODIFICHE AUTO -> AVIO sostituzione del turbocompressore con uno o due turbocompressori a geometria fissa a maggiore β per maggiore potenza e recuperare la quota; sostituzione albero motore e bielle con quello del motore 1,9 jtd 16 V modificato oppure riprogettare la parte adozione di iniettori a permeabilità maggiore di prestazioni superiori (multijet) riduzione del rapporto di compressione da 18.5:1 fino a 12.5:1 (limite di accensione); sostituzione della coppa dell olio e del sistema di lubrificazione (da carter umido a carter secco per uso acrobatico) sostituzione del cambio con un riduttore di velocità ad ingranaggi, a cinghia o a catena collegato all elica; sostituzione dei pistoni con pistoni con tunnel di raffreddamento e bimetallico 2

3 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. 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. 3

4 Risultati Ottenuti Con L analisi Agli Elementi Finiti Carico di funzionamento attuale 160 bar in camera, 140 sul resto del cielo Carico limite: 180 bar in camera e 160 sul resto del cielo Risultato: Coefficiente di sicurezza sempre maggiore o uguale a 2 4

5 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 il calcolo degli elementi finiti si è stimato che il limite strutturale della testata è di 260 bar in camera di combustione a parità di temperature ( si può raffreddare il motore con acqua a 50 senza danneggiamenti) 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 5

6 Risultati Ottenuti Con L analisi Agli Elementi Finiti per l Albero Motore originale a 3800 rpm Carico: pressione di 160 bar in camera Carico: pressione di 190 bar in camera Risultato: coefficiente di sicurezza sempre maggiore o uguale a due Limite strutturale raggiunto. Coefficiente di sicurezza intorno a 1,5 6

7 Considerazioni Risultati dello studio sono: Pressione massima ammissibile sul pistone 180bar Pressione massima ammissibile sulla testata: 260bar Pressione massima ammissibile per l albero motore a 3800 rpm: 190bar Pressione massima ammissibile per l albero motore 1900 jtd modificato a 5000 rpm: 180 bar ( con coefficiente di sicurezza di solo per prove al banco) Pressione massima ammissibile per l albero motore di nuovo disegno in acciaio 300M e bielle in acciaio (n=2.5) o titanio (n=3) a 5000 rpm: 180 bar La condizione più sfavorevole, per quello che riguarda i limiti strutturali, è quella dell imbiellaggio. Quindi sarà necessario modificare l albero motore per le prove al banco e riprogettarlo per l uso aeronautico, inoltre sarà necessario sostituire le bielle con altre più performanti in titanio Ulteriori incrementi di potenza si potrebbero ottenere utilizzando un pistone bimetallico, tuttavia, in questo caso, è necessario riprogettare il motore perché l albero motore non sopporta le sollecitazioni previste (perni di banco troppo piccoli) È possibile quindi cercare di fare delle stime in termini di limite di potenza del motore FIAT 1900 jtd Common Rail 7

8 Determinazione Della Potenza Massima Attraverso il metodo per determinare la massima potenza erogabile dal motore, è possibile ottenere, grazie la sostituzione di iniettori multijet più veloci, un limite di potenza di 300 CV a 5000 rpm nella condizione in cui sia presente nel cilindro una pressione di 180 bar con r = Tuttavia a 5000 rpm il coefficiente di sicurezza per l albero motore si abbassa 0.9, insufficiente anche per le prove al banco. Sono state quindi studiate una serie di modifiche all albero FIAT originale, consistenti nell incremento dei raggi di raccordo di tutti i perni da 1.2 mm a 3 mm. 8

9 Determinazione Della Potenza Massima In questa maniera l albero motore viene irrobustito e garantisce un coefficiente di sicurezza pari 1.5 Sostituendo le bielle con altre più leggere in lega di titanio, più resistenti (con fusto ad H e non a T) e riprogettando l albero motore si può sfiorare un coefficiente di sicurezza pari a 3. Utilizzando l albero motore speciale in acciaio 300M, i nuovi pistoni bimetallici, le bielle in titanio e gli iniettori multijet si dovrebbero sfiorare i 400 CV con 240 bar di pressione massima. In questo caso però l albero motore va in crisi perché i perni di banco sono troppo piccoli Va aggiunto inoltre un giunto idraulico per ridurre le vibrazioni torsionali. Un giunto idoneo è quello montato sulla BMW 535 da 275 CV con cambio Automatico. 9

10 Determinazione Della Potenza Massima Per avere circa 300 CV a 5000 rpm con un solo intercooler è necessario un beta di 4.2 (boost 866 psi) => sono necessari 2 turbo, beta di 2.1 =>ogni turbo ha un boost di circa 29.5 psi Non esistono turbocompressori commerciali in grado di fornire le prestazioni richieste nell applicazione aeronautica, ci focalizziamo quindi sul banco prova, verrà poi messo a punto un turbocompressore ad hoc. Viene scelto un turbocompressore Garret T3 50 TRIM Per ottenere le pressioni richieste saremo costretti a girare più veloci di circa un 15% rispetto al valore massimo di mappa. Questo è ammissibile al banco con un turbocompressore opportunamente preparato Sarà inoltre necessario l intercooler e l aftercooler per evitare danneggiamenti al secondo compressore a causa la sovratemperatura oppure è necessario fabbricare il secondo compressore 10 in lega di titanio

11 Realizzazione della lubrificazione a carter secco 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. 11

12 Montaggio nuovo motore su cessna 337 (posizione anteriore) La soluzione che adottata in questo studio è un nuovo tipo di montaggio su Cessna 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 sistema. 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. Viene montato il giunto idraulico ed un riduttore epicicloidale commerciale per ridurre la velocità angolare da 5000 rpm (albero motore) a 2800 rpm (elica mtpropeller MTV-20 a passo variabile elettrico). Il giunto idraulico elimina i problemi di vibrazioni torsionali 12

13 Dimensionamento del radiatore Q h t A a T m Potenza termica da smaltire = 50 KW Salto medio di temperatura ΔT m = 47 K Coefficiente di scambio termico h = 90 W/m 2 K Fattore di compattezza ξ = 1000 m -1 Spessore del radiatore = 98 mm Superficie frontale del radiatore = 0,120 m 2 13

14 Dimensionamento dell interrefrigeratore (aftercooler) Potenza termica da smaltire = 40 KW Salto medio di temperatura = 155 K Coefficiente h = 15 W/m 2 K Fattore di compattezza ξ = 1000 m -1 Spessore dell intercooler = 80 mm In questo caso si deve tenere in considerazione per calcolare la densità del fluido refrigerante, ed ottenere la portata in massa (5000 rpm, p=3 bar), sia la costante di Boltzmann R sia la temperatura di uscita dall intercooler. Attraverso la c p del fluido e il salto medio di temperatura si ottiene la potenza termica da smaltire. Superficie frontale dell intercooler = 0,190 m 2 14

15 Andamento del flusso d aria interno 15

16 Complessivo intercooler radiatore 16

17 Montaggio nuovo motore su cessna 337 (posizione posteriore) PROGETTAZIONE DEL CASTELLO MOTORE Afferraggio a sbalzo con anello La scelta cade su questo tipo di progettazione perchè I minori ingombri laterali permettono un più facile disposizione degli accessori del motore Baricentro della struttura più vicino al parafiamma Trattandosi di un prototipo risulta una soluzione economica Per quanto riguarda la costruzione il tipo di materiale impiegato, sia per motivi di costo sicurezza e affidabilità, trattandosi di un prototipo, si è preferito integralmente utilizzare l acciaio 30CrMo4 che da catalogo risulta avere σs = 415 MPa e coefficiente di sicurezza

18 Progettazione costello motore L ottimizzazione progressiva della struttura operata mediante successive analisi agli elementi finiti ha portato ad una nuova architettura del castello motore Si è poi passati al dimensionamento del radiatore considerando scambiatori di calore in allumini con alette ondulate. Da tale analisi si è ricavato un radiatore con una superficie pari a m 2 L impianto di interrefrigrqzione è realizzato in alluminio con alette ondulate, dimensionato attraverso l analisi della potenza termica da smaltire. Essa è calcolata in base alla portata d aria, il rapporto di compressione e al rendimento del compressore. Gli scambiatori sono stati disposti ai lati del motore Meno dannoso per il profilo aerodinamico del velivolo Ancoraggio castello-motore più semplice e leggero 18

19 Per risolvere il problema dell eccessivo riscaldamento del motore quando il velivolo è fermo in fase di rullaggio, o si muove a bassissima velocità, si è pensato di montare alcune ventoline sulla faccia posteriore degli scambiatori (4 sul radiatore e tre sull intercooler) che, entrando in funzione quando la temperatura del fluido supera un determinato livello, assicurerebbero comunque un flusso d aria di raffreddamento attraverso gli scambiatori. L utilizzo di due flabelli in corrispondenza delle aperture laterali della fusoliera, e con comando regolabile dal pilota, permette un ulteriore parzializzazione del flusso d aria in entrata negli scambiatori, che si aggiunge a quella già operata dalle ventoline. I flabelli sono incernierati sul lato opposto rispetto al posizionamento originale del Cessna 337 Con l attuale architettura del castello motore si sono rispettati i vincoli di resistenza e di ingombri contenuti, per quanto riguarda il peso (13kg) è necessario utilizzare parti in alluminio, considerare una ulteriore ottimizzazione del numero di ventilatori e ridurre le 19 superfici degli scambiatori.

20 Nuovo montaggio su Cessna 172 Per montare il nuovo motore 1900 jtd della FIAT sul Cessna 172 con motore depotenziato a 170 CV sono stati analizzati quattro stadi fondamentali La realizzazione del cofano per alloggiare il motore Ricostruzione del motore e accessori Dimensionamento e posizionamento organi ausiliari Dimensionamento circuiti aria, acqua e olio. 20

21 Ricostruzione organi e accessori del motore Motorino d avviamento Turbocompressore Albero motore e pistoni Riduttore e parastrappi 21

22 Impianto elettrico CONFIGURAZIONE ORIGINALE MODIFICA REALIZZATA 22

23 Impianto elettrico SOLUZIONE : (adottata) un alternatore con sistema no-back Leggerezza e compattezza Semplicità di montaggio Maggior manutenzione SISTEMA NO-BACK = alternatore con limitatore di coppia 23

24 RADIATORE INTERCOOLER Scambiatori di calore DIMENSIONAMENTO Q = c p T m c Q L = K X T m S T = (90 80) C m c = 1,53 kg/s Q = W T m = 21,64 K S = 0,1109 m 2 T = (180 50) C m c = 0,2 kg/s Q = 2, W T m = 55,44 K S = 0,0980 m 2 L = 180 mm L = 34 mm 24

25 Scambiatori di calore SOLUZIONI ADOTTATE Radiatore Honda CBR 1100 Superblackbird Intercooler ALFA 156 JTD 2.4 ( per 175 CV ) 25

26 Scambiatori di calore TELAIO DI SUPPORTO 2kg 1 kg Materiale: 28 CrMo4 Dimensionamento Sezione asta: 30x10 mm Sezione puntone: Ø e = 6mm Ø i = 4mm Verifica asta orizzontale σ fless = M W t = 122,7 MPa 6kg σ amm = 415 MPa Verifica carico di punta σ compr N A = = 13,56 MPa 26

27 Impianto di raffreddamento Come si può vedere il liquido in uscita dal motore passa nella valvola termostatica. Se esso è troppo freddo viene reimmesso nel motore, se invece è sufficientemente caldo viene mandato al radiatore, ed in uscita da esso di nuovo al motore. Particolare caratteristica del nostro motore è che il liquido raffreddato non viene reimmesso nel blocco motore, ma nella testata, poiché si vuole migliorare il raffreddamento di quest ultima SERBA- TOIO BLOCCO MOTORE RADIA- TORE VALVOLA TERMOSTATICA 27

28 Impianto di raffreddamento Nella prassi aeronautica, a differenza di quella automobilistica, l impianto di raffreddamento presenta tubi RIGIDI, infatti i tubi del radiatore devono essere fabbricati in alluminio, solo i tratti finali di raccordo possono essere in gomma. 28

29 Impianto di aspirazione Come si vede nello schema, l aria in entrata (è stato praticata un apertura sul cofano per favore l entrata) passa dal filtro dell aria per poi andare al compressore che,mosso dalla turbina, la comprime riducendone il volume ed aumentandone la pressione, ma aumentandone anche la temperatura.poi l aria compressa va all intercooler (scambiatore di calore aria-aria) dove viene raffreddata (ulteriore riduzione di volume) ed inviata finalmente ai collettori di aspirazione. FILTRO DELL ARIA INTER-COOLER COMPRESSO-RE COLLETTORE DI ASPIRAZIONE 29

30 Impianto di aspirazione 30

31 Impianto del gasolio Relativamente all impianto del gasolio ci siamo orientati verso una soluzione piuttosto comune nella pratica degli ultraleggeri, la quale però, non manca di piccoli accorgimenti. Tali accorgimenti sono necessari per un motore diesel. Come noto il JTD possiede un impianto di alimentazione del gasolio dotato di sistema COMMON-RAIL. Questo è mantenuto in pressione dalla pompa di alta pressione che eroga pressioni sino a 1500 bar. Il percorso teorico del combustibile è qui di seguito illustrato: 31

32 Impianto del gasolio 32

33 In base al lavoro eseguito si può affermare che la rimotorizzazione del Cessna 172 con un motore 1900jtd common-rail della FIAT non solo sembra possibile, ma sembra un progetto di buona riuscita, nonché di indubbio ritorno economico dato l elevato numero di velivoli di questo tipo sul mercato e l utilizzazione, nel progetto di componenti già presenti in commercio, che nonostante qualche lieve modifica garantiscono una spesa piuttosto contenuta rispetto a soluzioni ad hoc. 33

34 Riduttore l Affidabilità è associata alla ricerca di un minore componenti utilizzare tecnologie avanzate anche se costose Utilizzare alberi cavi con diametri elevati realizzare carter con forma bombata Minor peso da 18 kg a 10.3 kg Minor numero di componenti da 21 a 7 Semplice Affidabile Minor numero di componenti da sottoporre a controlli Si è inoltre allargato il profilo del carter fino ad inglobare i supporti esterni, aumentando la rigidezza della struttura, in tale elemento si riscontrerà peso 3.7 kg con sicurezza n=3,2. Nell assemblaggio tra riduttore e carter si ottiene così un peso totale pari a 14,1 kg ottimizzato per impiego aeronautico 34

35 Riduttore a catena e a cinghia dentata limite di potenza 200 CV Carichi agenti sull albero elica Tiro catena Tc = 6160 N Momento giroscopico Mg = ±192 Nm Tiro dell elica F = ±3294 N Nelle condizioni peggiori, si avranno le seguenti reazioni sui cuscinetti: 4442 N per RA 1691 N per RB Attaccando anteriormente le catena si hanno le seguenti problematiche riduzione del numero di giri dell elica da 2500 rpm 1900 rpm elevato numero di componenti con pericolo sull affidabilità elevati oneri di manutenzione peso oltre i 10 kg 35

36 Riduttori a catena e cinghia dentata Per risolvere il problema delle elevate tensioni all altezza degli attacchi, si utilizzano dei supporti laterali con i seguenti vantaggi la struttura e il monoblocco formano delle figure triangolari che fruttano meglio i materiali sfruttando meglio i materiali il riduttore risulta più leggero basta cambiare i supporti laterali per montare il riduttore su altri motori 36

37 Confronto Ingranaggi Catena Cinghia dentata Peso [kg] 14 8,5 7 Lubrificazione forzata a gravità assente Variazioni al montaggio nessuna nessuna coperchio testata Ispezioni minime frequenti periodiche Manutenzione alla revisione cadenzata minima 37

38 Variante al progetto Vantaggi della soluzione Istallazione senza modifiche al motore Maggiore silenziosità Non richiede lubrificazione Non richiede tenditori Peso inferiore (circa 6,5 kg) 38

39 Conclusioni I pesi relativi al motore in questione e sono: peso totale della struttura compresi motore, riduttore, scambiatori, castello motore e liquidi(acqua e olio) è di circa 247 kg; di cui, il peso del castello motore è di circa 16 kg, il peso del riduttore è di circa 7 kg, il peso dell intercooler e dell aftercooler 12 kg,il peso della coppa della lubrificazione a carter secco 3.7kg,il peso del giunto idraulico 6 kg. Il peso dell elica MTV-20 completa di tutto è calcolato 21kg, 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 è in linea con i migliori motori a benzina Il motore diesel così potenziato ha lo stesso rapporto peso potenza dei motori a benzina con consumi dimezzati. Sia per il costo del carburante (JP4 invece che benzina avio), sia per il consumi è particolarmente conveniente Riprogettando integralmente il motore è possibile ottenere un rapporto peso potenza nettamente migliore rendendo forse il motore competitivo (come peso/potenza) rispetto ad un gruppo turbopropulsione di analoga potenza 39

40 Conclusioni Grazie agli alleggerimenti descritti e grazie all aumento della potenza del motore a 300 CV con pressione in camera di combustione di 180 bar e con r = 15.5, il rapporto peso/potenza sarà 0.9. Ecco che l obbiettivo prefissato è raggiunto. In conclusione, possiamo dire che il rapporto peso/potenza di 1 Kg/CV è raggiungibile e anche superabile. 40

41 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) 41