STUDIO DI MASSIMA DI UN SISTEMA DI INIEZIONE DIRETTA PER UN MOTORE AERONAUTICO

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1 UNIVERSITA DEGLI STUDI DI BOLOGNA FACOLTA DI INGEGNERIA Corso di Laurea in Ingegneria Meccanica Disegno Tecnico Industriale STUDIO DI MASSIMA DI UN SISTEMA DI INIEZIONE DIRETTA PER UN MOTORE AERONAUTICO Tesi di laurea di: BONIFACIO GRISOLIA Relatore: Prof. Ing. LUCA PIANCASTELLI Correlatori: Prof. Ing. FRANCO PERSIANI Prof. Ing. GIANNI CALIGIANA Dott. Ing. FERDINANDO LUPPINO Anno Accademico 21/22 ANNO ACCADEMICO 21-22

2 OBIETTIVI DELLA TESI: Individuazione di una configurazione affidabile al 99.99% in 3 h di funzionamento del FADEC (Full Authority Digital Electronic Control) per un motore diesel common rail convertito da auto a avio (Requisito JAR/FAR) Lo studio in oggetto si inserisce all interno di un progetto di ricerca che mira alla trasformazione di un motore Diesel di derivazione automobilistica in un propulsore DIESEL per velivoli monoelica da turismo. Progetto di massima di un sistema di controllo per la compensazione della quota del turbocompressore. Anno Accademico 21/22

3 Configurazioni FADEC attuali (Motori aeronautici a turbina) SENSORI SENSORI Fadec 1- master ECU Attuatori SENSORI Anno Accademico 21/22 SENSORI + ECU Fadec 2-slave SISTEMA DI BACKUP MANUALE PER LA REGOLAZIONE DEL FLUSSO DI CARBURANTE

4 FLUSSO DI LAVORO Raccolta dati rotture FADEC auto Elaborazione dati Ricerca sensori più affidabili e definizione configurazion affidabile al 99,99% mista a componenti auto Definizione sistema elettromeccanico per compensazione della quota Definizione sistema meccanico per compensazione della quota Anno Accademico 21/22

5 DATI INDAGINE STATISTICA JTD AUTO PROVINCIA DI BOLOGNA ULTIMI 2 ANNI SI TRASCURANO I PROBLEMI AI CONNETTORI SOLTANTO LE OFFICINE AUTORIZZATE PIU GRANDI SOLTANTO un motore (19 jtd su Fiat e Alfa) SOFTWARE DI ANALISI AFFIDABILISTICA RELEX 7.5 Anno Accademico 21/22

6 DATI INDAGINE STATISTICA JTD Sede guasto CENTRALINA Sens. TEMPERATURA ACQUA Sens. TEMPERATURa GASOLIO Sens. PRESSIONE RAIL BASSA Sens. PRESSIONE RAIL DEBIMETRO R.P.M. ALBERO FASE CAMMA POTENZIOMETRO ACCELERATORE ATTUATORE RAIL ATTUATORE ARIA Anno Accademico 21/22 Intervista Intervista Intervista Intervista Intervista Intervista AUTO

7 DATI INDAGINE STATISTICA JTD AUTO Statistica rotture attuat. aria attuat. press. rail 7 sensori e attuatori potenz. accel press. rail bassa press. rail alta fase camma r.p.m. albero debimetro temp. gasolio 2 temp. acqua 2 Anno Accademico 21/22 rotture

8 Calcolo di λ λ = Rateo di guasto = n rotture/tempo Parco circolante medio = 4 vetture UTILIZZO MEDIO ORE/ANNO*AUTO= 6 ESEMPIO Anno Accademico 21/22 λ = DEBIMETRO 295 4*6

9 OBIETTIVI AFFIDABILITA AVIO Affidabilità 99,99 % in 3 ore di volo: Guasto tollerato-> funzionamento non ottimale del motore (aumento dei consumi) Guasto non tollerato-> perdita di potenza del motore Anno Accademico 21/22

10 FADEC COMMON RAIL auto POTENZIOMETRO ACCELERATORE Sensore TEMPERATURA ACQUA Sensore TEMPERATURA GASOLIO ECU ATTUATORE PRESSIONE DEBIMETRO Sensore PRESSIONE RAIL Sensore PRESSIONE RAIL BASSA ECU ATTUATORE ARIA Sensore R.P.M. ALBERO INIETTORI Sensore Università FASE degli CAMMA Studi di Bologna Anno Accademico 21/22 LINEA CAN (CONTROL AREA NETWORK)

11 Albero dei guasti ( top event) Gestione dei parametri non ottimale + Caduta di potenza del motore LEGENDA 1 Centralina 2 Pressione rail alta 3 Pressione rail bassa 4 Temp. gasolio 5 Temp. acqua 6 Fase camma 7 Debimetro 8 R.P.M. albero 9 Potenziometro 1 Attuatore rail 11 Iniettori Anno Accademico 21/22

12 Risultato dell indagine statistica: AFFIDABILITA DEL SISTEMA AUTO JTD 1.9 in 3 h si ha il funzionamento ottimale nel: Anno Accademico 21/22

13 % affidabilità Margini di miglioramento ridondando ciascun componente debimetro % affidabilià 55 54,8 54,6 54,4 54, ,8 53,6 potenziometro numero sensori 53, numero sensori pressione rail alta pressione rail bassa ,9 51,9 % affidabilità 51,8 51,7 51,6 51,5 % affidabilità 51,8 51,7 51,6 51,5 51, numero sensori 51, numero sensori Anno Accademico 21/22

14 % affidabilità 48,67 48,665 48,66 48,655 48,65 48,645 48,64 48,635 Margini di miglioramento ridondando ciascun componente r.p.m. albero numero sensori % affidabilità 49,65 49,6 49,55 49,5 49,45 49,4 49,35 49,3 49,25 49,2 49,15 temperatura acqua numero sensori % affidabilità 48,27 48,269 48,268 48,267 48,266 48,265 48,264 48,263 fase camma numero sensori % affidabilità 47, , , , , , , , , , ,96845 centralina 1 2 numero centraline Anno Accademico 21/22

15 Margini di miglioramento ridondando ciascun componente attuatore rail temperatura gasolio % affidabilità 48,12 48,119 48,118 48,117 48,116 48,115 48,114 48, numero attuatori % affidabilità 47, , , , , , , , , , , numero sensori Anno Accademico 21/22

16 Risultati ottenuti per funzionamento ottimale 3h Ridondando gli elementi fino al limite di saturazione Imponendo una strategia di rilevamento del guasto ( es. disponibilità di 2 su 3 su un parallelo di 3 elementi) Anno Accademico 21/22

17 Obiettivi di missione (in Recovery) Affidabilità 99,99 % 3 ore di volo ( top event) Albero dei guasti Caduta di potenza del motore Condizioni di sicurezza centralina R.P.M. albero Attuatore rail Pressione Rail alta Funzionamento del motore in condizioni critiche : Elevati consumi ed emissioni inquinanti Anno Accademico 21/22

18 AFFIDABILITA IN CONFIGURAZIONE RECOVERY (SCHEMA DI CALCOLO) centralina R.P.M. albero Attuatore rail Pressione Rail alta Anno Accademico 21/22

19 % affidabilità Margini di miglioramento ridondando ciascun componente PRESSIONE RAIL 97 96,8 96,6 96,4 96,2 % affidabilità R.P.M albero 9,83 9,82 9,81 9,8 9, ,78 95, numero sensori 9, numero sensori % affidabilità attuatore rail 89,81 89,88 89,86 89,84 89,82 89,8 89,798 Università degli 89,796 Studi di Bologna Anno Accademico 21/22 numero attuatori % affidabilità 89, , ,248 89, , , , , , ,2473 centralina Tesi numero di Laurea centraline di Bonifacio Grisolia

20 Risultati ottenuti Ridondando gli elementi fino al limite di saturazione Imponendo una strategia di rilevamento del guasto ( es. disponibilità di 2 su 3 su un parallelo di 3 elementi) centralina Pressione rail alta R.P.M. albero Attuatore rail affidabilità % Conf.1 2 (1/2) 3 (2/3) 3 (2/3) 2 (1/2) 97,99 Conf 2 2 (1/2) 5 (3/5) 5 (3/5) 2 (1/2) 99,7 Conf.3 2 (1/2) 7 (4/7) 5(3/5) 2 (1/2) 99,992 Anno Accademico 21/22

21 Configurazione con componenti 7 sensori Pressione rail alta ½ stand-by (slave) ½ stand-by auto ECU ATTUATORE PRESSIONE ATTUATORE PRESSIONE ECU INIETTORI Anno Accademico 21/22 5 sensori R.P.M. albero (master) Valore affidabilità 99, 99%

22 CONSIDERAZIONI Configurazione affidabile molto costosa Elevato numero di sensori Difficoltà fisiche di installazione degli stessi Ricerca di nuovi sensori più affidabili Anno Accademico 21/22

23 SOLUZIONI DISPONIBILI SUL MERCATO Sensori per applicazioni aeronautiche ELEVATO MTBF Gear-Tooth Sensor MTBF = 1/λ= 5. ORE Anno Accademico 21/22

24 CONFIGURAZIONE proposta 1 2/3 Parallelo caldo ½ stand-by PRESSIONE RAIL PRESSIONE RAIL PRESSIONE RAIL 2/3 Parallelo caldo (slave) ECU ½ stand-by ATTUATORE PRESSIONE ATTUATORE PRESSIONE R.P.M. ALBERO R.P.M. ALBERO ECU INIETTORI R.P.M. ALBERO Anno Accademico 21/22 (master) Valore affidabilità 99, 99%

25 CONFIGURAZIONE proposta 2 Ridondanza in Stand-by master R.P.M. ALBERO ATTUATORE PRESSIONE PRESSIONE RAIL ECU ATTUATORE PRESSIONE R.P.M. ALBERO ECU INIETTORI Anno Accademico 21/22 PRESSIONE RAIL slave Valore affidabilità 99, 99%

26 Quota di ripristino Nei motori aeronautici sovralimentati si compensa la diminuzione della potenza fino alla quota di ripristino Nei motori Diesel il raggiungimento di quote di ripristino accettabili è critico, in quanto è presente una sovralimentazione decisamente spinta beta=3.2 anche a terra. Anno Accademico 21/22

27 CONTROLLO DEL TURBOCOMPRESSORE (obiettivi) Compensazione della quota Limitazione della pressione di sovralimentazione Apertura della valvola (west-gate) ad un valore di pressione manifold max costante al variare della quota Limitazione del numero di giri ( pericolo di fuga del compressore in prossimità della quota di ripristino Z Q.R. S.L. Pericolo di fuga del compressore Anno Accademico 21/22 Pmax manifold

28 Dispositivi scelti per il controllo (requisiti richiesti : Affidabilità) Attuatore meccanico tipo North American Thunderbolt P47 D Vantaggi: semplicità affidabilità dispositivo collaudato Svantaggi: attrito di primo distacco fra le parti scorrevoli->poca precisione taratura problematica Attuatore elettromeccanico certificato utilizzato per il controllo dei flap in velivoli da turismo Vantaggi: dispositivo collaudato precisione modulabilità Anno Accademico 21/22 Svantaggi: minore affidabilità

29 Attuatore meccanico LEGGE DI EQUILIBRIO ATTUATORE -VALVOLA P v = P P manifold atmosferic a P *S turbina valvola Anno Accademico 21/22 = F molla + (P *S ) atmosferica valvola + ( P *S ) v membrana

30 Attuatore elettromeccanico Anno Accademico 21/22

31 Affidabilità del sistema con attuatore elettromeccanico N- rotture 1/2 in 3 ore di funzionamento 2/3 Parallelo caldo ½ stand-by PRESSIONE RAIL PRESSIONE RAIL PRESSIONE RAIL (slave) ECU ½ stand-by ATTUATORE PRESSIONE 2/3 Parallelo caldo ATTUATORE PRESSIONE R.P.M. ALBERO R.P.M. ALBERO ECU INIETTORI R.P.M. ALBERO Anno Accademico 21/22 (master) Valore affidabilità 99, 99%

32 CONCLUSIONI I sensori in dotazione per uso automobilistico non garantiscono l affidabilità richiesta E necessario, per raggiungere l obbiettivo del 99,99 %, far ricorso a nuovi sensori concepiti per utilizzo aeronautico ed applicare una ridondanza di tipo Hardware Si evince inoltre da tale studio che l affidabilità della centralina in dotazione non va ad inficiare l affidabilità del sistema di controllo Non si è ipotizzata una ridondanza di tipo software perché l affidabilità del software è un grosso problema nei sistemi aeronautici attuali e la strategia è quella di ridurlo al minimo indispensabile. Anno Accademico 21/22