CORSO DI LAUREA IN INGEGNERIA MECCANICA

A.A. 2010-2011

ALMAMATER STUDIORUM – UNIVERSITA’ DI BOLOGNA

Seconda facoltà di ingegneria sede di Forlì

Tesi di laurea di:

Alberto Magnani

Relatore:

Prof. Ing. Luca Piancastelli

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MOTORE FIAT 1.3 JTDm 16V

Diesel con sistema di iniezione

common rail

JTDm= MultiJet Turbo Diesel

Cilindrata totale: 1248 cm3

frazonata su 4 cilindri in linea

Alesaggio 69.6, Corsa 82

Potenza max 51 kW

Massa 130 kg

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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

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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.

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Modellazione in GT-Power

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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

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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

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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.

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Confronto tra simulazione e dati forniti da

costruttore

Potenza

(kW) 1500 rpm 2000 rpm 2500 rpm 3000 rpm 3500 rpm 4000 rpm

Dati Fiat 25 36 44 47 51 50

Dati

simulati

(-13%)

22 30.5 34 43.5 52 54

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.

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Confronto tra simulazione e dati

forniti da costruttore

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Confronto tra simulazione e dati

forniti da costruttore

Coppia

(Nm)

1500rpm 2000rpm 2500rpm 3000rpm 3500rpm 4000rpm

Dati

dichiarati

da Fiat

150 175 160 150 130 120

Dati

simulati

(-13%)

113 144 131 140 138 135

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Confronto tra simulazione e dati

forniti da costruttore

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

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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

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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.

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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: GT2252

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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.

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Risultati simulazione

Confronto con il motore iniziale:

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Risultati simulazione

Confronto con il motore iniziale:

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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!

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 245.9 K e una

pressione di 0.4404 bar (ISA)

La simulazioni in quota sono state effettuate a tre regimi di potenza

differenti : 50% 75% 100%

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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)

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Simulazioni in quota

75% della potenza

massima, a 4200rpm:

La pressione rimane

superiore ai 90 bar sino

al case 11 (5000m)

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Simulazioni in quota

100% della potenza

massima, a 5500rpm:

si raggiunge la

pressione limite in

camera di

combustione al case

10 (4500m)

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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

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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

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Grazie per l’attenzione

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