1

ANALISI DELLE POSSIBILITA’ DI SVILUPPO DEL

MOTORE FIAT 1900 JTD PER APPLICAZIONI

AERONAUTICHE

Titolo della tesi

CANDIDATO:

Alessandro Spada

RELATORE:

Prof. Ing. Luca Piancastelli

2

Punto di

PartenzaCARATTERISTICHE

TECNICHE DI BASE:

Cilindrata:1910 cm3

Numero di cilindri:4 in linea

Alesaggio per corsa (cm): 82x90.4

Rapporto di compressione:18.5:1

Potenza max: 105 CV (77,22 kW)

rpm max : 4250

Alimentazione ad iniezione diretta

Common Rail

Turbosovralimentazione, e

interrefrigerazione

(aftercooler)

MODIFICHE AUTO -> AVIO

•sostituzione del turbocompressore con uno o

due turbocompressori a geometria fissa a

maggiore β per maggiore potenza e recuperare

la quota;

•sostituzione albero motore e bielle con quello

del motore 1,9 jtd 16 V modificato oppure

riprogettare la parte

•adozione di iniettori a permeabilità maggiore di

prestazioni superiori (multijet)

•riduzione del rapporto di compressione da

18.5:1 fino a 12.5:1 (limite di accensione);

•sostituzione della coppa dell’olio e del sistema

di lubrificazione (da carter umido a carter secco

per uso acrobatico)

•sostituzione del cambio con un riduttore di

velocità ad ingranaggi, a cinghia o a catena

collegato all’elica;

•sostituzione dei pistoni con pistoni con tunnel

di raffreddamento e bimetallico

3

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.

• 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.

4

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 2

Carico limite: 180 bar in camera e 160

sul resto del cielo

5

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 il calcolo degli elementi finiti si è stimato che il

limite strutturale della testata è di 260 bar in camera di

combustione a parità di temperature ( si può raffreddare il

motore con acqua a 50° senza danneggiamenti)

6

Risultati Ottenuti Con L’analisi Agli Elementi Finiti per

l’Albero Motore originale a 3800 rpm

Carico: pressione di 160 bar in

camera

Risultato: coefficiente

di sicurezza sempre maggiore o

uguale a due

Carico: pressione di 190 bar in

camera

Limite strutturale raggiunto.

Coefficiente di sicurezza intorno a

1,5

7

ConsiderazioniRisultati dello studio sono:

•Pressione massima ammissibile sul pistone 180bar

•Pressione massima ammissibile sulla testata: 260bar

•Pressione massima ammissibile per l’albero motore a 3800 rpm: 190bar

•Pressione massima ammissibile per l’albero motore 1900 jtd modificato a

5000 rpm: 180 bar ( con coefficiente di sicurezza di 1.5 - solo per prove al banco)

La condizione più sfavorevole, per quello che riguarda i limiti strutturali, è quella

dell’imbiellaggio. Quindi sarà necessario modificare l’albero motore per le prove

al banco e riprogettarlo per l’uso aeronautico, inoltre sarà necessario sostituire le

bielle con altre più performanti in titanio

Ulteriori incrementi di potenza si potrebbero ottenere utilizzando un pistone

bimetallico, tuttavia, in questo caso, è necessario riprogettare il motore perché

l’albero motore non sopporta le sollecitazioni previste (perni di banco troppo

piccoli)

È possibile quindi cercare di fare delle stime in termini di limite di potenza del

motore FIAT 1900 jtd Common Rail

•Pressione massima ammissibile per l’albero motore di nuovo disegno in acciaio

300M e bielle in acciaio (n=2.5) o titanio (n=3) a 5000 rpm: 180 bar

8

Determinazione Della Potenza

MassimaAttraverso il metodo per determinare la massima potenza erogabile dal motore,

è possibile ottenere, grazie la sostituzione di iniettori multijet più veloci, un limite

di potenza di 300 CV a 5000 rpm nella condizione in cui sia presente nel cilindro

una pressione di 180 bar con r = 15.5. Tuttavia a 5000 rpm il coefficiente di

sicurezza per l’albero motore si abbassa 0.9, insufficiente anche per le prove al

banco. Sono state quindi studiate una serie di modifiche all’albero FIAT originale,

consistenti nell’incremento dei raggi di raccordo di tutti i perni da 1.2 mm a 3

mm.

9

Determinazione Della Potenza

Massima

Sostituendo le bielle con altre più leggere in lega di titanio, più resistenti (con

fusto ad H e non a T) e riprogettando l’albero motore si può sfiorare un

coefficiente di sicurezza pari a 3.

Va aggiunto inoltre un giunto idraulico per ridurre le vibrazioni torsionali.

Un giunto idoneo è quello montato sulla BMW 535 da 275 CV con cambio

Automatico.

In questa maniera l’albero motore viene irrobustito e garantisce un coefficiente

di sicurezza pari 1.5

Utilizzando l’albero motore speciale

in acciaio 300M, i nuovi pistoni

bimetallici, le bielle in titanio e gli

iniettori multijet si dovrebbero sfiorare

i 400 CV con 240 bar di pressione

massima. In questo caso però

l’albero motore va in crisi perché i

perni di banco sono troppo piccoli

10

Per avere circa 300 CV a 5000 rpm con un solo intercooler è

necessario un beta di 4.2 (boost 866 psi) => sono necessari 2 turbo,

beta di 2.1 =>ogni turbo ha un boost di circa 29.5 psi

Non esistono turbocompressori commerciali in grado di fornire le

prestazioni richieste nell’applicazione aeronautica, ci focalizziamo quindi sul

banco prova, verrà poi messo a punto un turbocompressore ad hoc. Viene

scelto un turbocompressore Garret T3 50 “TRIM”

Per ottenere le pressioni richieste

saremo costretti a girare più veloci di

circa un 15% rispetto al valore massimo

di mappa. Questo è ammissibile al

banco con un turbocompressore

opportunamente preparato

Sarà inoltre necessario l’intercooler e

l’aftercooler per evitare danneggiamenti

al secondo compressore a causa la

sovratemperatura oppure è necessario

fabbricare il secondo compressore in

lega di titanio

Determinazione Della Potenza

Massima

11

Realizzazione della

lubrificazione a carter seccoLa 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.

12

La soluzione che adottata in questo studio è un

nuovo tipo di montaggio su Cessna 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 sistema.

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.

Viene montato il giunto idraulico ed un

riduttore epicicloidale commerciale per

ridurre la velocità angolare da 5000 rpm

(albero motore) a 2800 rpm (elica mt-

propeller MTV-20 a passo variabile

elettrico). Il giunto idraulico elimina i

problemi di vibrazioni torsionali

Montaggio nuovo motore su cessna 337

(posizione anteriore)

13

Dimensionamento del radiatore

• Potenza termica da smaltire = 50 KW

• Salto medio di temperatura ΔTm= 47 K

• Coefficiente di scambio termico h = 90 W/m2K

• Fattore di compattezza ξ = 1000 m-1

• Spessore del radiatore = 98 mm

mat TAhQ

Superficie frontale del

radiatore = 0,120 m2

14

Dimensionamento

dell’interrefrigeratore (aftercooler)• Potenza termica da smaltire

= 40 KW

• Salto medio di temperatura

= 155 K

• Coefficiente h = 15 W/m2K

Superficie frontale

dell’intercooler = 0,190 m2

• Fattore di compattezza ξ = 1000 m-1

• Spessore dell’intercooler = 80 mm

In questo caso si deve tenere in considerazione

per calcolare la densità del fluido refrigerante,

ed ottenere la portata in massa (5000 rpm,

p=3 bar), sia la costante di Boltzmann R sia

la temperatura di uscita dall’ intercooler.

Attraverso la cp del fluido e il salto

medio di temperatura si ottiene la

potenza termica da smaltire.

15

Andamento del flusso d’aria interno

16

Complessivo

radiatore

intercooler

17

PROGETTAZIONE DEL CASTELLO MOTORE

Afferraggio a sbalzo con anello

La scelta cade su questo tipo di progettazione

perchè

• I minori ingombri laterali permettono un più facile disposizione degli accessori

del motore

•Baricentro della struttura più vicino al parafiamma

• Trattandosi di un prototipo risulta una soluzione economica

Per quanto riguarda la costruzione il tipo di materiale impiegato, sia per motivi di costo

sicurezza e affidabilità, trattandosi di un prototipo, si è preferito integralmente utilizzare

l’acciaio 30CrMo4 che da catalogo risulta avere σs = 415 MPa e coefficiente di sicurezza

1.5

Montaggio nuovo motore su cessna

337 (posizione posteriore)

18

Progettazione costello motoreL’ottimizzazione progressiva della struttura operata mediante successive analisi agli

elementi finiti ha portato ad una nuova architettura del castello motore

Si è poi passati al dimensionamento del

radiatore considerando scambiatori di

calore in allumini con alette ondulate.

Da tale analisi si è ricavato un radiatore

con una superficie pari a 0.072 m2

L’impianto di interrefrigrqzione è realizzato

in alluminio con alette ondulate, dimensionato

attraverso l’analisi della potenza termica da

smaltire. Essa è calcolata in base alla portata

d’aria, il rapporto di compressione e al

rendimento del compressore.

Gli scambiatori sono stati disposti ai lati del

motore

•Meno dannoso per il profilo aerodinamico

del velivolo

•Ancoraggio castello-motore più semplice

e leggero

19

Per risolvere il problema dell’eccessivo riscaldamento del motore quando

il velivolo è fermo in fase di rullaggio, o si muove a bassissima velocità, si

è pensato di montare alcune ventoline sulla faccia posteriore degli

scambiatori (4 sul radiatore e tre sull’intercooler) che, entrando in funzione

quando la temperatura del fluido supera un determinato livello,

assicurerebbero comunque un flusso d’aria di raffreddamento attraverso

gli scambiatori.

L’utilizzo di due flabelli in corrispondenza

delle aperture laterali della fusoliera, e con

comando regolabile dal pilota, permette un

ulteriore parzializzazione del flusso d’aria

in entrata negli scambiatori, che si

aggiunge a quella già operata dalle

ventoline.

I flabelli sono incernierati sul lato opposto

rispetto al posizionamento originale del

Cessna 337Con l’attuale architettura del castello

motore si sono rispettati i vincoli di

resistenza e di ingombri contenuti, per

quanto riguarda il peso (13kg) è

necessario utilizzare parti in alluminio,

considerare una ulteriore ottimizzazione

del numero di ventilatori e ridurre le

superfici degli scambiatori.

20

Nuovo montaggio su Cessna

172 Per montare il nuovo motore 1900 jtd della FIAT sul Cessna 172 con motore

depotenziato a 170 CV sono stati analizzati quattro stadi fondamentali

• La realizzazione del cofano per alloggiare il motore

•Ricostruzione del motore e accessori

•Dimensionamento e posizionamento organi ausiliari

•Dimensionamento circuiti aria, acqua e olio.

21

Ricostruzione organi e accessori

del motore

▲ Motorino d’avviamento

▼ Albero motore e pistoni

Turbocompressore ▲

Riduttore e parastrappi ▼

22

Impianto elettrico

CONFIGURAZIONE ORIGINALE

MODIFICA REALIZZATA

23

Impianto elettrico

SOLUZIONE : (adottata)

un alternatore con sistema

no-back

Leggerezza e compattezza

Semplicità di montaggio

Maggior manutenzione

=

alternatore con

limitatore di

coppia

SISTEMA NO-BACK

24

DIMENSIONAMENTO

Q = cp ∙ ∆T ∙ mc

QL = __________________

K ∙ X ∙ ∆Tm∙ S

∆T = (90 – 80)°C

mc = 1,53 kg/s

→ Q = 6 ∙ 104 W

∆Tm= 21,64 K

S = 0,1109 m2

→ L = 180 mm

∆T = (180 – 50)°C

mc = 0,2 kg/s

→ Q = 2,6 ∙ 104 W

∆Tm= 55,44 K

S = 0,0980 m2

→ L = 34 mmINT

ER

CO

OL

ER

RA

DIA

TO

RE

Scambiatori di calore

25

SOLUZIONI ADOTTATE

◄ Radiatore Honda CBR 1100

Superblackbird

Intercooler ALFA 156 JTD 2.4 ►

( per 175 CV )

Scambiatori di calore

26

Scambiatori di caloreTELAIO DI SUPPORTO

Dimensionamento

• Sezione asta: 30x10 mm

• Sezione puntone:

Øe = 6mm

Øi = 4mm

Verifica asta orizzontale

σfless = = 122,7 MPa

σamm = 415 MPa

Verifica carico di punta

Nσcompr =____ = 13,56 MPa

A

σcritico = 46,91 MPa

Materiale: 28 CrMo4

2kg

1 kg

6kg

M

Wt

27

BLOCCO

MOTORE

RADIA-

TORE

SERBA-

TOIO

VALVOLA

TERMOSTATICA

Come si può vedere il liquido in uscita dal motore passa nella valvola termostatica.

Se esso è troppo freddo viene reimmesso nel motore, se invece è sufficientemente

caldo viene mandato al radiatore, ed in uscita da esso di nuovo al motore. Particolare

caratteristica del nostro motore è che il liquido raffreddato non viene reimmesso nel

blocco motore, ma nella testata, poiché si vuole migliorare il raffreddamento di

quest’ultima

Impianto di raffreddamento

28

Nella prassi aeronautica, a differenza di quella automobilistica, l’impianto di

raffreddamento presenta tubi RIGIDI, infatti i tubi del radiatore devono essere

fabbricati in alluminio, solo i tratti finali di raccordo possono essere in gomma.

Impianto di raffreddamento

29

FILTRO

DELL’ARIA

COMPRESSO-RE

INTER-COOLER

COLLETTORE DI

ASPIRAZIONE

Impianto di aspirazione

Come si vede nello schema, l’aria in entrata (è stato praticata un’apertura sul cofano per

favore l’entrata) passa dal filtro dell’aria per poi andare al compressore che,mosso dalla

turbina, la comprime riducendone il volume ed aumentandone la pressione, ma

aumentandone anche la temperatura.Poi l’aria compressa va all’intercooler (scambiatore

di calore aria-aria) dove viene raffreddata (ulteriore riduzione di volume) ed inviata

finalmente ai collettori di aspirazione.

30

Impianto di aspirazione

31

Impianto del gasolio

Relativamente all’impianto del gasolio ci siamo orientati verso una soluzione piuttosto

comune nella pratica degli ultraleggeri, la quale però, non manca di piccoli accorgimenti.

Tali accorgimenti sono necessari per un motore diesel. Come noto il JTD possiede un

impianto di alimentazione del gasolio dotato di sistema COMMON-RAIL.

Questo è mantenuto in pressione dalla pompa di alta pressione che eroga pressioni sino

a 1500 bar. Il percorso teorico del combustibile è qui di seguito illustrato:

32

Impianto del gasolio

33

In base al lavoro eseguito si può affermare che la rimotorizzazione del Cessna 172

con un motore 1900jtd common-rail della FIAT non solo sembra possibile, ma sembra

un progetto di buona riuscita, nonché di indubbio ritorno economico dato l’elevato numero

di velivoli di questo tipo sul mercato e l’ utilizzazione, nel progetto di componenti già

presenti in commercio, che nonostante qualche lieve modifica garantiscono una spesa

piuttosto contenuta rispetto a soluzioni ad hoc.

34

Riduttorel’Affidabilità è associata alla ricerca di un minore

componenti

• utilizzare tecnologie avanzate anche se costose

• Utilizzare alberi cavi con diametri elevati

• realizzare carter con forma bombata

Minor peso da 18 kg a 10.3 kg

Minor numero di componenti da 21 a 7

Semplice

Affidabile

Minor numero di componenti da sottoporre

a controlli

Si è inoltre allargato il profilo del carter fino ad inglobare

i supporti esterni, aumentando la rigidezza della struttura,

in tale elemento si riscontrerà peso 3.7 kg con sicurezza

n=3,2.Nell’assemblaggio tra riduttore e carter si ottiene così un

peso totale pari a 14,1 kg ottimizzato per impiego aeronautico.

35

Riduttore a catena e a cinghia

dentata limite di potenza 200 CVCarichi agenti sull’albero elica

Tiro dell’elica F = ±3294 N

Momento giroscopico Mg = ±192 Nm

Tiro catena Tc = 6160 N

Nelle condizioni peggiori, si avranno le seguenti

reazioni sui cuscinetti:

4442 N per RA 1691 N per RB

Attaccando anteriormente le catena si hanno le

seguenti problematiche

•riduzione del numero di giri dell’elica da 2500 rpm 1900 rpm

•elevato numero di componenti con pericolo sull’ affidabilità

•elevati oneri di manutenzione

•peso oltre i 10 kg

36

Riduttori a catena e cinghia dentata

Per risolvere il problema delle

elevate tensioni all’altezza

degli attacchi, si utilizzano dei

supporti laterali con i seguenti

vantaggi

•la struttura e il monoblocco formano delle figure triangolari che fruttano

meglio i materiali

•sfruttando meglio i materiali il riduttore risulta più leggero

•basta cambiare i supporti laterali per montare il riduttore su altri motori

37

Peso [kg] 14 8,5 7

Lubrificazione forzata a gravità assente

Variazioni al montaggio nessuna nessuna coperchio testata

Ispezioni minime frequenti periodiche

Ingranaggi Catena Cinghia dentata

Manutenzione alla revisione cadenzata minima

Confronto

38

Vantaggi della soluzione

• Maggiore silenziosità

• Peso inferiore (circa 6,5 kg)

• Non richiede lubrificazione

• Non richiede tenditori

• Istallazione senza modifiche al motore

Variante al progetto

39

Conclusioni I pesi relativi al motore in questione e sono:

peso totale della struttura compresi motore, riduttore, scambiatori, castello

motore e liquidi(acqua e olio) è di circa 247 kg;

di cui, il peso del castello motore è di circa 16 kg, il peso del riduttore è di circa

7 kg, il peso dell’ intercooler e dell’aftercooler 12 kg,il peso della coppa della

lubrificazione a carter secco 3.7kg,il peso del giunto idraulico 6 kg.

Il peso dell’elica MTV-20 completa di tutto è calcolato 21kg,

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 0.89. Tale risultato è in

linea con i migliori motori a benzina

Il motore diesel così potenziato ha lo stesso rapporto peso potenza dei

motori a benzina con consumi dimezzati. Sia per il costo del carburante

(JP4 invece che benzina avio), sia per il consumi è particolarmente

conveniente

Riprogettando integralmente il motore è possibile ottenere un rapporto

peso potenza nettamente migliore rendendo forse il motore competitivo

(come peso/potenza) rispetto ad un gruppo turbopropulsione di analoga

potenza

40

Conclusioni

Grazie agli alleggerimenti descritti e grazie all’aumento della potenza

del motore a 300 CV con pressione in camera di combustione di 180

bar e con r = 15.5, il rapporto peso/potenza sarà 0.9. Ecco che

l’obbiettivo prefissato è raggiunto.

In conclusione, possiamo dire che il rapporto peso/potenza

di 1 Kg/CV è raggiungibile e anche superabile.

41

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)