Università degli Studi di Bologna FACOLTA’ DI INGEGNERIA
Corso di Laurea in Ingegneria Meccanica LABORATORIO CAD L
INSTALLAZIONE MOTORE FIAT 1300 cc jtd PER USO AERONAUTICO Tesi di laurea di: Giacometti Enrico
Relatore: Prof. Ing. Luca Piancastelli
Oggetto dello studio: installazione di un motore Diesel modificato e di tutti i relativi accessori su un aereo ultraleggero MOTORE modificato FIAT 1300 jtd con turbocompressore Mercedes ●
Numero cilindri: 4 in linea.
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Cilindrata: 1248 cm3.
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Pressione di sovralimentazione: 2,2 bar. Potenza massima: 150 CV a 6000 rpm.
Aereo Modello: Enjoy ●
Apertura alare: 6,5 m.
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Lunghezza: 5,8 m.
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Massa a vuoto: 273 kg.
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Massa in condizioni standard: 450 kg. Velocità di crociera: 140 km/h
Il collettore di scarico È stato necessario riprogettare il collettore di scarico in quanto quello montato nel modello di partenza andava in interferenza con altri componenti del motore. Inoltre si è notato che nell’assemblaggio dei componenti la turbina usciva dalla sagoma frontale del parafiamma dell’aereo. I requisiti del nuovo scarico sono: ●
Contenere il peso.
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Non andare in interferenza con altri elementi del motore.
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Mantenere il più possibile inalterato il volume interno rispetto al collettore precedente e, soprattutto, fare in modo che non diminuisca. Fare in modo che il turbocompressore non sporga dalla sagoma frontale dell’aereo.
Variazione volume interno: +2,7 % (accettabile) Materiale: Inconel 718 (σSN: 758 MPa a 800°C) Massa: 3,1 kg (più basso del precedente)
Si è scelta una sezione ovalizzata per ridurre lo sbalzo in avanti del collettore e non perdere volume interno
Dall’analisi delle tensioni, condotta con l’uso degli elementi finiti, introducendo una pressione di 10 bar (quindi con un fattore di sicurezza preliminare di 3), il minimo fattore di sicurezza ottenuto è 1,53. Il pezzo risulta verificato.
Lo scambiatore di calore Per ovviare al calo di temperatura e pressione dell’aria, che si presenta al salire della quota, si è predisposto un sistema di preriscaldamento in aspirazione, per evitare di introdurre aria troppo fredda. Tale sistema è composto da due parti: ●
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Un ramo di bypass dell’intercooler
Uno scambiatore di calore, sul ramo di bypass, che assorbe calore dai gas di scarico e lo usa per riscaldare l’aria. Si è scelta per semplicità una geometria composta da tubi coassiali.
Quota di volo: 7000 metri. Temperatura aria a 7000 metri = Tamb = 242 K (≈-31°C) Pressione aria a 7000 metri = Pamb = 40530 Pa (0,4 bar) Densità aria a 7000 metri = Damb = 0,588 kg/m3 Pressione di sovralimentazione del compressore = ΔP = 220000Pa (2,2 bar) Temperatura aria in ingresso nello scambiatore:
Temperatura desiderata dell’aria: 160°C (≈ 433 K) Energia termica da scambiare (calcolato per una cilindrata di 1248 cc a 6000 rpm): Temperatura di ingresso dei gas di scarico: 650°C (≈ 923 K) Temperatura in uscita dei gas di scarico: 631°C (≈ 904 K)
Si è qui trovata la resistenza termica che deve offrire lo scambiatore indicata con R
Forma dello scambiatore Diametri cilindro esterno: .interno = Di = 60 mm .esterno = De = 64 mm
Diametri cilindro interno: .interno = di = 45 mm .esterno = de = 49 mm
Si è proceduto al calcolo dei numeri di Raynolds e Nusselt per i fluidi (gas ed aria), da cui si sono trovati i coefficienti di convezione esterna ed interna, hi ed he. Per il lato gas:
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Per il lato aria si è trovato he = 101,9 W/m K Dalla formula della resistenza termica per i tubi coassiali
Si è trovato L = 973 mm, che essendo troppo lungo è stato ridotto a L = 200 mm inserendo all’interno dei tubi una doppia elica di passo 31 mm.
Modellazione dello scambiatore
COMPLETO
IN SEZIONE
Il modello è stato verificato mediante la teoria delle tensioni in tubi a parete sottile, che ha fornito valori di tensione di: σ = 12,25 MPa per il tubo interno σ = 16 MPa per il tubo esterno Entrambi i tubi sono verificati. È stata eseguita una verifica agli elementi finiti che ha confermato l’alto grado di sicurezza.
Circuiti di lubrificazione e raffreddamento Si sono studiati approfonditamente i circuiti di lubrificazione e raffreddamento del motore automobilistico per capire se fossero necessarie eventuali modifiche. Mentre il primo dei due può essere riportato sull’aereo in modo identico a come è sull’autovettura, per il secondo sono necessarie modifiche legate soprattutto alla posizione dei vari organi. IMMAGINE RELATIVA AL CIRCUITO DI LUBRIFICAZIONE
Il circuito di raffreddamento montato sull’autovettura è pensato per una disposizione del motore e dei vari organi molto diversa da come verrà installato il tutto sull’aereo. Perciò si è rivelato necessario riposizionare il radiatore (che deve essere al di sotto del motore per motivi legati agli ingombri) e, di conseguenza, il rifacimento di tutte le condotte dell’acqua. Immagine del nuovo circuito di raffreddamento estratta dal complessivo finale dell’installazione motore. Si noti che i tubi sono tutti dotati di asole per il fissaggio al telaio, mentre per il radiatore (non avendo attacchi) verrà predisposto un alloggiamento nel telaio stesso.
L’impianto del gasolio Come per gli impianti di lubrificazione e raffreddamento, anche per l’impianto di alimentazione del gasolio è stato eseguito uno studio approfondito degli organi che lo compongono, di come funziona e delle eventuali modifiche necessarie. Nell’immagine è riportato il circuito del gasolio in uso sulle automobili. È risultato che l’impianto può essere riportato sulla vettura così com’è, con la sola eccezione della pompa di bassa pressione. La pompa di bassa pressione, nel modello automobilistico è immersa direttamente nel serbatoio. Non potendo fare la stessa cosa sull’aereo è stata realizzata una scatola di alluminio dentro cui la pompa va alloggiata. Tale scatola si riempie per gravità dal serbatoio principale (posizionato nell’ala alta).
La scatola per la pompa di bassa pressione è composta da un corpo in alluminio (1), con coperchio (2), anch’esso in alluminio, rivettato. Tra i due elementi deve essere interposto del silicone. Il corpo è predisposto con delle asole (7) al montaggio sul castello motore, mentre sul coperchio sono ricavate le aperture necessarie per l’alimentazione elettrica (3) e per l’ingresso ed uscita del gasolio (4 e 5). Il foro supplementare (6) serve al circuito di ritorno del gasolio dal Rail.
Il circuito dell’aria
Il circuito dell’aria, inteso come l’insieme degli organi che guidano l’aria nell’attraversamento del motore dal momento dell’aspirazione fino all’espulsione sotto forma di gas di scarico, è, tra i vari circuiti necessari al funzionamento del motore, quello che ha subito più modifiche. Quali: ●
Sostituzione del turbocompressore con uno più potente.
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I collettori di scarico ed aspirazione sono stati completamente rifatti.
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È stato realizzato un ramo di bypass dell’intercooler, su cui è stato montato uno scambiatore di calore che assorbe calore dai gas di scarico.
Sono stati rimossi EGR, catalizzatore e silenziatore.
A queste modifiche si aggiunge il fatto che verranno sostituiti anche l’intercooler ed il filtro. Quindi tutte le tubazioni andranno modificate per includere il ramo di bypass e per via della diversa disposizione degli elementi tra automobile ed aereo.
Il nuovo intercooler Nella fotografia è riportato l’intercooler, accoppiato al FIAT 2400 jtd, che verrà montato sull’aereo. La scelta è ricaduta su un intercooler maggiorato, poiché il turbocompressore Mercedes che verrà utilizzato surriscalderà troppo l’aria in aspirazione. Si è scelto l’intercooler del 2400 jtd basandosi su un confronto della potenza che questo motore possiede e su quella che il FIAT 1300 jtd sovralimentato mediante turbocompressore Mercedes è stimato avere (circa 150 CV)
Si riporta ora un’immagine del nuovo circuito dell’aria, estratta dal complessivo dell’assemblaggio finale del motore sull’aereo 1.
Testata motore
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Collettore di aspirazione
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Collettore di scarico
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Turbocompressore Mercedes
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Filtro dell’aria K&N RC-2550
6.
Scambiatore di calore
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Terminale di scarico
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Tubo compressore scambiatore / intercooler Tubo scambiatore / intercooler collettore di aspirazione Intercooler
Il castello motore Il nuovo castello motore deve, oltre ad essere leggero e resistente, soddisfare un notevole numero di vincoli, quali: ●
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essere predisposto per sostenere non solo il motore ma anche tutti gli ausiliari; alloggiare tutti i componenti il più possibile lontano dal turbocompressore per evitare che li danneggi (ad esempio batteria, filtro del gasolio, pompa del gasolio); mantenere l’asse elica su un piano orizzontale 90 mm al di sotto delle viti prigioniere poste nella parte alta del parafiamma; l’asse elica deve essere inclinato di 5 gradi a sinistra nella vista dall’alto;
nessun elemento deve sporgere al di fuori della sagoma frontale del parafiamma dell’aereo.
Si è modellato un castello motore tenendo conto di tutti i vincoli imposti, ma ci si è resi subito conto che l’ultima richiesta non è del tutto realizzabile. Ciò perché, se si vuole mantenere l’asse elica 90 mm al di sotto delle viti prigioniere del parafiamma, si deve tollerare che il motore sporga verso l’alto. Per ovviare a questo problema si sono valutate tre possibili soluzioni: ●
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Inclinare il motore (scartata perché darebbe problemi enormi alla lubrificazione); Realizzare un riduttore ad interasse più lungo (soluzione scartata per via dell’eccessivo aumento del peso, ma sicuramente degna di essere ripresa in considerazione, magari modificando alla base lo schema del riduttore) Accettare il fatto che non è possibile rispettare tutti i vincoli imposti e lasciar sporgere il motore verso l’alto, ma facendo in modo che nessun altro elemento faccia altrettanto.
Per effettuare la modellazione si è ricalcato lo schema degli attacchi che la FIAT usa per fissare il motore al telaio delle autovetture
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Nell’immagine 1 è riportato lo schema degli attacchi FIAT; Nell’immagine 2 è riportata la posizione degli attacchi lato carter olio Nell’immagine 3 sono indicati gli attacchi lato trasmissione
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Il castello motore modellato è riprodotto in figura, posizionato sul parafiamma. Si è deciso di realizzarlo in alluminio per cercare di ridurre il peso Nell’immagine sono indicati con “a” gli alloggi superiori nel castello motore degli smorzatori, necessari per evitare che le vibrazioni del motore si trasmettano al telaio. Con “b” sono indicati gli alloggi inferiori degli smorzatori. Con “c” è indicato l’alloggio dell’intercooler. Con “d” è indicato l’alloggio del radiatore. I fori visibili in più punti della struttura sono predisposti per il fissaggio di tutti gli ausiliari, quali tubi, convogliatori, pompa e filtro gasolio.
Separatamente al castello motore sono stati modellati gli attacchi per congiungerlo al motore. Negli attacchi anteriori è stato integrato il telaietto che sorregge il riduttore. Posteriormente è stata montata una piastra, composta da travi a sezione rettangolare cava, che ricalca il metodo usato dalla FIAT per fissare il propulsore. Nell’immagine sottostante è riportato lo schema degli attacchi montato sul propulsore. Sia attacchi che piastra sono fatti in Titanio Gr.2
Si è quindi proceduto alla verifica del rispetto dei vincoli geometrici. Nell’immagine 1 si nota l’inclinazione dell’asse elica di 5 gradi verso sinistra
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Nell’immagine 2 si nota che l’asse elica è 90 mm al di sotto dei perni superiori
Nell’immagine 3 si nota che nessun elemento esce dalla sagoma del parafiamma, ad eccezione del motore nella parte superiore e del condotto di scarico
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Valutazione dei carichi Per effettuare l’analisi agli elementi finiti, si sono stimati i carichi che sollecitano la struttura, secondo normativa che impone di considerare una forza verticale discendente Fv = 6 * g * m e una laterale
Fo = 2,5 * g * m in cui g è l’accelerazione di gravità, mentre m è la massa dell’oggetto a cui la forza è applicata
Nel computo delle forze è stata presa una massa del motore di 150 kg, quindi introducendo un fattore di sicurezza di 1,2. In quanto la massa del motore reale è di 124 kg. Si è inoltre considerato il contributo degli altri elementi, pur essendo notevolmente meno pesanti del motore. Tutto ciò è riassunto in tabella.
Si è realizzato un modello della struttura agli elementi finiti, utilizzando il software Straus 7, è stato quindi eseguito un run con forza centrifuga verso destra ed uno con forza centrifuga verso sinistra. In figura è riportato il caso che più sollecita la struttura.
Si nota come tutte le travi del castello motore, la piastra e gli attacchi siano abbondantemente verificati, considerando le tensioni di snervamento di titanio Gr.2 e alluminio 5086-O di cui sono fatti i pezzi. Lega d’Alluminio: σSN = 117 MPa Lega di Titanio: σSN = 235 MPa Sorge però il problema della concentrazione delle tensioni nell’attacco più sollecitato, in cui si ha un picco positivo di 192 MPa e negativo di -200 MPa. Tali valori sono molto al di sopra del valore di 117 MPa che è lo snervamento dell’alluminio.
Viene ora proposto un tentativo per risolvere il problema legato al picco di tensione, consistente nel saldare dei rinforzi alle travi principali. Tali rinforzi devono essere scatolati in modo da aumentare il modulo di resistenza della sezione, ma non aumentare eccessivamente il peso. Questi rinforzi vengono calcolati per sopperire alle tensioni di picco nell’attacco più sollecitato, quindi una volta calcolati saranno implementati su tutti gli attacchi. Per primo passo si è presa la sezione più carica di cui sono noti tutti i parametri geometrici, e considerando la tensione (data dal software) in tre distinti punti si sono calcolati gli sforzi interni che sollecitano la sezione all’incastro (cioè due momenti flettenti ed uno sforzo normale). Dopodichè, si è disegnata la sezione della trave con i rinforzi e la si è dimensionata in funzione del coefficiente di sicurezza che si vuole ottenere.
Caratteristiche della sezione (rettangolare 45 x 20 con cava 41 x 16): Modulo di resistenza lungo z (asse verticale ascendente): Wz = 2666 mm3 Modulo di resistenza lungo y (asse orizzontale parallelo all’asse elica): Wy = 1600,5 mm3 Area: 244 mm2
Nei 3 vertici della sezione la tensione è -200,44 MPa ; 192,64 MPa ; -102,56 MPa, scelti in modo da poter scrivere il sistema: Dal sistema si trovano i Momenti flettenti lungo z (Mz) e lungo y (My) e la forza assiale (F). Mz = 391902 Nmm My = 78425 Nmm F = 976 N
La sezione rinforzata è riportata in figura, e,a lato,sono riportate le formule dei moduli di resistenza lungo z (Wz) e lungo y (Wy) e l’area (A).
Per determinare la sezione si sono imposti i valori H = 50 mm; S3 = S4 = 2 mm; h = 20 mm; B = 45 mm;
b = 35 mm ; σSN = 117 MPa. E si è imposto S1 = S2. Quindi si è graficato l’andamento del coefficiente di sicurezza in funzione di S1 e il risultato è stato che con uno spessore di rinforzo di 2,5 mm il coefficiente di sicurezza è di 1,42. Sufficientemente alto considerato che il calcolo dei carichi si riferisce a condizioni estreme e che la sovrastima della massa motore aveva già introdotto un coefficiente di 1,2.
Il castello motore rinforzato pesa 5,032 kg. Cioè solo 244 grammi in più della versione senza rinforzi. Il peso complessivo della struttura, compresa di piastra ed attacchi è di 8,077 kg.
In conclusione si riporta un’immagine di tutta l’installazione