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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w.g. mecc

banco

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350

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800 1300 1800 2300 2800 3300 3800 4300

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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