Aeronautica Generale

Monografie
di
Aeronautica Generale
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Impianti di Accensione
Istituto Tecnico “G. P. Chironi” - Nuoro
Settore Tecnologico – Indirizzo Trasporti e Logistica
Articolazione Conduzione del Mezzo Aereo
Dipartimento di Meccanica ed Aeronautica
Prof. Giuliano Deledda
A.S. 2013/2014
A.S. 2013/2014
Impianto di Accensione
Prof. Giuliano Deledda
Introduzione
La funzione del sistema di accensione è quella di generare l'innesco grazie al quale avviene
la combustione della miscela. Nel caso di motori ad accensione comandata, questo avviene
mediante una scintilla elettrica che scocca tra gli elettrodi di una candela montata sul cilindro.
I sistemi di accensione si distinguono in:
•
Sistemi a batteria;
•
Sistemi a magnete ad alta tensione;
•
Sistemi a magnete a bassa tensione;
•
Sistemi ad accensione elettronica FADEC (Full Authority Digital Engine Control)
Inoltre i sistemi a magnete possono essere a single e dual magneto ignition system; questi
ultimi impiegano un singolo magnete rotante alimenta due differenti generatori in un unico
apparato.
I sistemi più diffusi sono quelli a magnete; ogni cilindro è dotato di due candele alimentate
da due generatori distinti, questo consente di avere ridondanza nel sistema di accensione e di
favorire la combustione della miscela.
Un sistema di accensione efficiente permette di far avvenire la combustione nelle condizioni ideali con il massimo sfruttamento dell'energia termica. Per contro, malfunzionamenti causano perdite di potenza, surriscaldamento del motore, pericolo di detonazione.
La sincronizzazione dei magneti è fissa e la scintilla avviene sempre ad uno stesso angolo di
manovella (20°÷ 30° dal PMS) in tutte le condizioni operative non permettendo di variare la
sincronizzazione con il numero dei giri del motore. Sistemi di accensione elettronici di ultima
generazione gestiscono automaticamente la sincronizzazione adattandola alle varie condizioni
di funzionamento.
Per far avvenire la scintilla è necessario che tra gli elettrodi della candela si stabilisca una
tensione dell'ordine di 20 kV; si noti che la tensione resa disponibile nell'aereo è notevolmente
più bassa. Per aumentare la tensione è necessario un trasformatore che innalzi opportunamente la tensione; questo, per poter funzionare deve essere alimentato da una tensione variabile. Di norma, le tensione generata nell'aereo non possiede le caratteristiche richieste dal
trasformatore, per cui occorre intervenire modificandola opportunamente, in modo da renderla variabile e questo viene fatto mediante una brusca interruzione della corrente al prima rio del trasformatore che induce la tensione opportuna al secondario.
La scintilla nei vari cilindri avviene secondo una sequenza prestabilita garantita dalla pre1
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senza di un distributore che alimenta in successione le candele
In conclusione i componenti principali del sistema di accensione sono:
•
La sorgente di energia elettrica:
◦ Batteria caricata da una dinamo o da un alternatore;
◦ Magnete (generatore di corrente).
•
L'interruttore (detto ruttore) per interrompere il circuito al momento opportuno rendendo possibile l'insorgere della tensione adeguata tra gli elettrodi della candela;
•
Il trasformatore per elevare la tensione;
•
Il distributore della corrente;
•
Le candele;
•
L'interruttore principale.
Sistema di accensione a batteria
Generalità
Come detto, il compito del sistema di accensione è quello di produrre la scintilla all'interno
del cilindro nel momento prestabilito. Nei sistemi a batteria la sorgente di energia elettrica è
una batteria mantenuta in carica da un generatore (dinamo o alternatore).
Lo schema di massima è riportato in Figura 1. Le batterie non
sono un sistema affidabile in campo aeronautico, per cui vi si preferisce il magnete; in taluni casi il
doppio sistema di accensione viene realizzato con una batteria e
un magnete. All'avviamento si
provvede mediante una batteria
indipendente.
Di norma ruttore (vedi Figura
2), condensatore e distributore
Figura 1: Schema impianto di accensione a batteria.
sono riuniti in un unico dispositivo detto spinterogeno.
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Quando l'interruttore principale chiude il circuito la corrente fluisce attraverso gli avvolgimenti del primario sino al ruttore il cui funzionamento è sincronizzato opportunamente con il
distributore che ne causa l'apertura generando elevata tensione al secondario del trasformatore (detto bobina). L'operazione di sincronizzazione della rotazione dell'albero motore con
quella del gruppo ruttore-distributore è chiamata messa in fase. La tensione tra gli elettrodi
della candela è tale da ionizzare l'aria interposta consentendo la nascita di un arco elettrico.
Per evitare il danneggiamento dei contatti del ruttore dovuto al passaggio dell'extracorrente di apertura, in parallelo con esso, è inserito un condensatore che consente la derivazione a
terra di tale corrente proteggendo in componente.
Figura 2: Schema ruttore.
Sistema di accensione a magnete
Generalità
Se il sistema di accensione dell'aereo facesse parte dell'impianto elettrico principale, il motore potrebbe fermarsi in caso di malfunzionamento di questo; vista l'importanza della sua
funzione, il sistema di accensione deve essere indipendente e ridondate. Nei moderni aerei
viene impiegato il sistema di accensione a magnete ad alta tensione, consistente in almeno due
magneti per motore, un trasformatore e un sistema di distribuzione.
I magneti sono generatori di corrente autonomi, che forniscono bassa tensione al trasformatore, il quale successivamente la trasforma in alta tensione. Questa alimenta il sistema di
distribuzione, che invia la corrente al momento opportuno alla candela del cilindro interessato. Ogni cilindro è dotato di due candele alimentate da magneti differenti. Un interruttore in
cabina consente di spegnere l'impianto.
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Figura 3: Schema generale di un impianto di accensione a magnete.
Nello schema di Figura 3 sono mostrati il circuito primario e secondario. Nella condizione
di funzionamento (ON) l'interruttore principale è aperto mentre ad impianto spento (OFF) il
circuito primario è collegato a massa.
Circuito primario
Il circuito primario è costituito dagli avvolgimenti a basso numero di spire dove viene indotta la corrente pulsante in bassa tensione (200÷300 V) che può essere collegato a massa tramite l'interruttore principale o il ruttore i cui
contatti sono mantenuti chiusi da una molla;
l'intervento di una camma apre il circuito al
momento giusto in modo da indurre tensione
richiesta dalla candela nel circuito secondario
(vedi Figura 4).
Nella condizione di normale funzionamento
(ON) il circuito è aperto sul lato dell'interruttore principale e risulta connesso a massa dal
ruttore. La corrente fluisce a massa secondo il
percorso riportato in Figura 5. La corrente elettrica viene indotta nel primario dalla rotazione
del magnete permanente, nonostante sia variabile, non è in grado di indurre alta tensione
al secondario. A tale scopo provvede l'apertura
del ruttore che fa variare rapidamente il flusso
magnetico concatenato con le spire inducendo Figura 4: Magnete ad alta tensione.
elevata tensione negli avvolgimenti del secondario. La tensione indotta dipende sia dalla velo-
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cità di rotazione del magnete sia dal numero di spire attraversate; all'aumentare di questi pa rametri aumenta la tensione indotta.
Figura 5: Circuito primario.
In parallelo col ruttore viene installato un condensatore la cui funzione è quella di assorbire lo
scintillio generato dall'apertura e dalla chiusura del ruttore. I contatti cominciano ad aprirsi
quando la corrente raggiunge il suo picco e di norma si formerebbe un arco tra i contatti del
ruttore che mantiene la continuità a massa. La presenza del condensatore in parallelo col rut tore rappresenta una via a massa alternativa come mostrato in Figura 7.
Figura 6: Flusso di corrente all'apertura del ruttore.
Il circuito magnetico
Il circuito magnetico è costituito da un magnete permanente rotante, un nucleo di ferro dolce ed espansioni polari. Il magnete è mosso dal motore e ruota nello spazio compreso tra le
espansioni polari generando un flusso magnetico la cui variazione induce in un opportuno circuito una corrente.
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Figura 7: Circuito magnetico.
Nella Figura 7 sono mostrate le posizioni principali del magnete permanente:
•
A: Il flusso attraverso il nucleo è massimo, la posizione è detta full register;
•
B: Il flusso attraverso il nucleo è nullo, la posizione è detta neutral;
•
C: Il flusso attraverso il nucleo è massimo ma con verso contrario rispetto al caso A, la
posizione è detta full register.
La mostra la densità di flusso magnetico nel nucleo per i vari angoli di rotazione del magnete permanente.
Figura 8: Densità di flusso magnetico.
La massima variazione del flusso magnetico si ha quanto il magnete si trova nella posizione
chiamata E-Gap (efficiency gap) come mostrato in Figura 9.
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Figura 9: Relazione tra la posizione del magnete e i parametri elettrici.
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Circuito secondario
Il circuito secondario è costituito dal secondario del trasformatore, dal distributore e dalle
candele. Come detto, il secondario del trasformatore è costituito da un avvolgimento realizzato con circa 13000 spire di cavo di rame sottile, collegate a massa da un lato e connesso al
distributore dall'altro. Questo, a sua volta, da
energia alle candele.
Alle quote elevate, a causa della bassa densità dell'aria, si possono verificare problemi di
isolamento nel magnete; per evitare problemi,
negli aerei dotati di turbocompressore il magnete viene pressurizzato utilizzando l'aria del
compressore.
L a Figura 10 mostra lo schema del sistema
di distribuzione della corrente alle candele. Il
distributore ruota a metà velocità rispetto
all'albero motore in un motore a quattro tempi.
Il distributore è provvisto di una numerazione
dei contatti congrua con la sequenza di scoppio
assegnata ai cilindri. Sempre nella Figura 10 si
osservi che la sequenza assegnata risulta la
Figura 10: Schema circuito secondario.
seguente: 1-3-5-7-9-2-4-6-8.
Il complesso magnete-distributore è soggetto a rapide variazioni di temperatura, problemi
di condensazione ed umidità. In particolare l'umidità è un buon conduttore che può dare luogo a percorsi di conduzione non voluti con conseguente problemi nel sistema di accensione. A
causa delle variazioni di pressione e temperatura non è possibile sigillare l'apparato a cui, per
contro, occorre assicurare idonea ventilazione.
Accessori
Per compensare la bassa velocità del magnete in corrispondenza de bassi regimi del motore, il magnete è dotato di un sistema chiamato snapper coupling che aumenta temporaneamente la velocità di rotazione del magnete con un sistema a molla (Figura 11). Il dispositivo è
provvisto di un sistema di blocco centrifugo a pesi. Di norma solo il magnete sinistro ne è do 8
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tato ed è attivato solamente all'avvio, mentre si blocca automaticamente alle elevate velocità..
Figura 11: Snapper coupling.
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Nella è mostrato uno spaccato del magnete.
Figura 12: Spaccato del magnete.
Check magneti
Il magnete una volta messo in rotazione genera una certa corrente nel circuito primario. Se
l'interruttore di accensione è chiuso (OFF) la corrente si scarica a massa e la candela non viene alimentata. Come detto, ogni cilindro è dotato di due candele alimentate da due magneti
differenti.
La verifica del corretto funzionamento di entrambi i magneti è eseguita dal pilota con motore a basso regime in modo da evitare lo spegnimento del motore durante il controllo
La verifica consiste nell'accertarsi che nel passaggio dal funzionamento BOTH a quello
LEFT e RIGHT si abbia una certa riduzione del numero dei giri (tipicamente 125 RPM) del motore dovuta al funzionamento con singolo magnete.
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Bibliografia e sitografia consultata
Flaccavento, M., (2007), Motori aeronautici, Milano, Hoepli.
FAA, (2012), Aviation Maintenance Tecnician Handbook - Powerplant, Oklaoma City, FAA.
Crane, D., (2013), Powerplant, Washington, Aviation Supplies & Accademics, Inc..
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Indice generale
Introduzione................................................................................................................................. 2
Sistema di accensione a batteria.......................................................................................... 3
Generalità................................................................................................................................. 3
Sistema di accensione a magnete......................................................................................... 4
Generalità................................................................................................................................. 4
Circuito primario................................................................................................................... 5
Il circuito magnetico............................................................................................................ 6
Circuito secondario.............................................................................................................. 9
Accessori.................................................................................................................................. 9
Check magneti........................................................................................................................... 11
Bibliografia e sitografia consultata................................................................................... 12