studio ed ottimizzazione di un modello monodimensionale del motore fiat 1.9 jtd avio...
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Studio ed ottimizzazione di un
modello monodimensionale
del motore Fiat 1.9 JTD Avio
Tesi di laurea di: Relatore:
Andrea Garattoni Chiar.mo Prof.Ing. Luca Piancastelli
ALMA MATER STUDIORUM – UNIVERSITÀ DI BOLOGNA
Seconda Facoltà di Ingegneria Sede di Forlì
CORSO DI LAUREA IN INGEGNERIA MECCANICA A.A. 2009-2010
Data di presentazione della tesi: 13 ottobre 2010
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Motore Fiat 1.9 JTD Avio
Diesel con sistema di
iniezione common-rail
Cilindrata totale:
1910 cm3 frazionata su
4 cilindri in linea.
Alesaggio : 82 mm
Corsa : 90.4 mm
JTD=
uniJet TurboDiesel
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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
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Scelta del turbocompressore
Si ricava:
• Portata d’aria effettiva (Weff) : 18.75 lb/min
• Rapporto di compressione (Π ): 2.73
Si calcolano
Weff e Π
partendo dai
parametri
di riferimento
del motore
così come
viene indicato
nel catalogo
Garrett da cui
si scelgono
turbina e
compressore.
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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 2259.
• Soluzione scartata perché dava un
consistente aumento di pressione solo ad
alto numero di giri
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Il gruppo turbocompressore con le
caratteristiche migliori è il GT1548.
Mappa compressore
Mappa turbina
Turbocompressore GT1548
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Modellazione su GT-Power
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Inserimento mappa compressore e
turbina
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Inserimento mappa turbina
Portata gas di
scarico
Rapporto di compressione
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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.
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Inserimento wastegate nel modello
L’azionamento a molla della valvola reale viene modellato con un PID
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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.
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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
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Confronto tra coppia/potenza reale
e simulata
• Il confronto è stato fatto prendendo i dati rilevati
dal banco prova con quelli ottenuti dalle
simulazioni con wastegate meccanica.
• I valori di coppia/potenza ottenuti dalla
simulazione sono maggiorati rispetto a quelli
reali poiché la simulazione non tiene conto delle
perdite per attrito e del rendimento organico.
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800 1300 1800 2300 2800 3300 3800 4300
w.g. mecc
banco
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w.g. mecc
banco
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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.
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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.
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Grafici di potenza e coppia
wastegate elettronica
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800 1300 1800 2300 2800 3300 3800 4300
w.g. mecc
w.g.elett
banco
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800 1300 1800 2300 2800 3300 3800 4300
w.g. mecc
w.g.elett
banco
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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
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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
242.7 K° e una pressione di 0.4106 bar.
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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.
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Risultati della simulazione
• Il motore assicura una potenza sufficiente solo fino ai
2000-2500 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.
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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
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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.
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