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Studio della conversione di un motore Diesel
Common Rail da automobilistico ad aeronautico
per ottimizzare il rapporto peso/potenza
Titolo della tesi
CANDIDATO:
Marco Tellarini
RELATORE:
Prof. Ing. Luca Piancastelli
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OBBIETTIVI• Verifica di fattibilità del raggiungimento del rapporto peso/potenza di
1 Kg/CV
• Verifica dei limiti strutturali dei componenti del propulsore
• Determinazione massima potenza erogabile
• Alleggerimento motore
Quali sono i limiti strutturali dei componenti del propulsore e, in particolare
del pistone, della testata e dell’albero motore ?
Fino a che limite ci si può spingere, dato che l’obiettivo non è stato ancora
completamente raggiunto?
Qual è la potenza massima erogabile dal motore?
Si possono ridurre i pesi ?
È conseguibile il rapporto peso/potenza del motore di 1Kg/CV ?
Quesiti
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Punto Di PartenzaCARATTERISTICHE
TECNICHE:
Cilindrata:1910 cm
Numero di cilindri:4 in linea
Diametro per corsa (cm): 82x90.4
Rapporto di compressione:18.5:1
Potenza max: 105 CV (in regime
continuo 145 CV)
Rpm max 4250
Alimentazione ad iniezione diretta
Common Rail
Turbosovralimentazione ed
interrefrigerazione
MODIFICHE AUTO -> AVIO
sostituzione del turbocompressore con
uno fisso a maggiore β;
sostituzione albero motore con quello
del motore 1,9jtd 16 V;
adozione di iniettori a permeabilità
maggiore;
riduzione del rapporto di compressione
da 18.5:1 a 15.5:1;
sostituzione della coppa dell’olio;
sostituzione del cambio con un riduttore
di velocità ad ingranaggi collegato
all’elica;
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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)
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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 ricavata all’interno del cielo del pistone.
• 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.
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Risultati Ottenuti Con L’analisi
Agli Elementi FinitiCarico di funzionamento attuale
160 bar in camera, 140 sul resto del cielo
Risultato: Coefficiente di sicurezza
sempre maggiore o uguale a due
Carico limite: 175 bar in camera e 160
sul resto del cielo
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Verifica della resistenza della
testata
Durezza HRB della lega GD-AlSi 9 in funzione
del tempo e della temperatura
0
10
20
30
40
50
60
70
80
2 5 8 23 30 60
Ore di riscaldamento
Du
rezza
HR
B
Durezza a 247 °C Durezza a 220 °C Durezza a 200 °C Durezza a 180 °C
Sulla testata sono state eseguite delle prove di durezza
HRB in funzione di un riscaldamento e della durata variabile
di esso.
Mediante poi l’ausilio del calcolatore si è stimato che il limite
strutturale della testata è di 260 bar in camera di
combustione
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Risultati Ottenuti Con L’analisi Agli
Elementi Finiti per l’Albero MotoreCarico: pressione di 160 bar in
camera (3800 rpm)
Risultato: coefficiente
di sicurezza sempre maggiore o
uguale a due
Carico: pressione di 190 bar in
camera
Limite strutturale raggiunto. Fattore
di sicurezza intorno a 1,5
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Considerazioni
Risultati dello studio sono:
•Pressione massima ammissibile sul pistone 175bar
•Pressione massima ammissibile sulla testata: 260bar
•Pressione massima ammissibile per l’albero motore: 190bar
Fissando quindi come limite strutturale alla rottura del motore, la condizione più
sfavorevole, cioè quella del pistone, si può chiaramente dedurre che si ha
ancora a disposizione un discreto margine di incremento di pressione e di
conseguenza di potenza massima ottenibile.
È possibile quindi ora cercare di fare delle stime in termini di limite di potenza del
motore FIAT 1900 jtd Common Rail
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Determinazione Della Potenza
Massima
Attraverso il metodo per determinare la massima potenza erogabile dal
motore si è arrivati a dire che il limite di potenza del motore risulterà di
240 CV, sia nella condizione in cui abbia una pressione nel cilindro di
200 bar con r = 15.5, sia nella condizione in cui la pressione sarà 175
bar con r = 12.1 (che è considerato il limite minimo del rapporto di
compressione per l’accensione del motore).
La pressione di 200 bar non è raggiungibile, sia per il pistone che per
l’albero motore.
Per concludere, sono stati eseguiti anche dei calcoli relativi ad una
pressione di 175 bar e ad una potenza massima erogata di 210 CV con
r = 15.5.
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Alleggerimento del motore
E’ stato alleggerito con la progettazione di
una nuova coppa dell’olio e con un nuovo
montaggio su Cessna 337.
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Sostituzione della coppa
dell’olioLa soluzione proposta dal Centro Ricerche Fiat per l’adattamento
automobilistico all’uso aeronautico è illustrata nelle figure seguenti
Gli principali svantaggi di questa coppa sono:
• peso;
• costo;
• non si riesce a misurare il livello dell’olio.
Quindi c’è la necessità di realizzare
una nuova coppa dell’olio.
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Realizzazione di una nuova
coppa dell’olioLa 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.
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Nuovo montaggio su Cessna
337La soluzione che adottata in questo studio è un nuovo tipo di montaggio su Cessna
Model 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 problema
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.
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Soluzione adottataEliminazione riduttore
• guadagno di 28 Kg;
• coassialità tra albero motore
ed albero elica;
• passaggio da 2500 a 3800 rpm;
• sostituzione elica;
• eliminazione problematiche del
riduttore precedente.
Vantaggi con questa soluzione:
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Soluzione al problema
geometrico
Il problema geometrico della capottatura motore viene invece risolto con una
modifica della prua dell’aereo.
Realizzazione di una prua a goccia
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Assemblaggio definitivoQuesta soluzione ha portato ad un alleggerimento di circa 35 Kg. Questo
risultato ha portato all’ottimizzazione del rapporto peso/potenza. La soluzione
finale è illustrata nelle figura seguenti.
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Conclusioni I pesi relativi al motore in questione e sono:
• il peso totale della struttura compresi motore, riduttore, scambiatori, castello
motore e liquidi(acqua e olio) è di circa 220 Kg;
• il peso del castello motore è di circa 16 Kg;
• il peso del riduttore è di circa 28 Kg;
• il peso dei liquidi è di circa 11 Kg;
• il peso della coppa dell’olio è di circa 3-4 Kg.
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 1.33. Tale risultato, però,
non può soddisfare, come prevedevamo, le nostre esigenze, le quali erano di 1
Kg/CV.
Alleggerendo la struttura con la sostituzione della coppa dell’olio
guadagneremo circa 3 Kg, mentre, con il nuovo montaggio su Cessna 337,
guadagneremo circa 35 Kg. Sulla base delle condizioni dette sopra e
mantenendo inalterata la potenza avrò un rapporto peso/potenza di 1.1. Anche
questo risultato è al di sopra del nostro obbiettivo, ma comunque, molto vicino.
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ConclusioniGrazie agli alleggerimenti descritti e grazie all’aumento della potenza del motore a
210 CV con pressione in camera di combustione di 175 bar e con r = 15.5, il
rapporto peso/potenza sarà 0.86. Ecco che l’obbiettivo prefissato è raggiunto.
Sempre con gli alleggerimenti descritti in precedenza, ma con ulteriore aumento
di potenza del motore a 240 CV con una pressione in camera di combustione di
175 bar e con r = 12.1, il rapporto può essere migliorato e risulterebbe 0.75.
Questo è il minimo rapporto raggiungibile.
In conclusione, possiamo dire che il rapporto peso/potenza di 1 Kg/CV
è raggiungibile e anche superabile.