Riassunto analitico
L’obiettivo di questa tesi si è focalizzato sull’ottimizzazione di un motore per drone boxer 4 cilindri Diesel 2 tempi, con lo scopo di aumentarne la potenza specifica.
Dopo aver fissato il modello definitivo del motore termico, lo studio si è concentrato sullo sviluppo di un sistema di propulsione ibrido che garantisse le prestazioni migliori.
Tramite il software GT-Power sono state eseguite diverse simulazioni, scegliendo accuratamente i parametri che ne consentivano il miglioramento delle performances. In particolare, ci si è concentrati su due modelli. Nel primo campione è stato aumentato il valore dell’alesaggio per verificare se fosse possibile raggiungere la potenza target ad un regime inferiore di rotazione. Il secondo prototipo del motore originale è stato invece pensato per operare a velocità di rotazione maggiori. Questo modello ha reso possibile un netto aumento della potenza massima erogabile, richiedendo la presenza di un riduttore prima dell’elica.
Il lavoro di ottimizzazione si è incentrato su: metodo di immissione nel carter, fasatura delle luci, geometria dei condotti e sistema di scarico.
Per la scelta del metodo di immissione nel carter sono stati confrontati i modelli con porta controllata dal pistone e valvola a disco rotante.
Per ciascuna soluzione è stata trovata la fasatura ottimale ed è stata valutata la possibilità di sfruttare gli effetti dinamici nei condotti di aspirazione per massimizzare il riempimento volumetrico. La scelta è ricaduta sulla valvola a disco che è stata preferita per le migliori prestazioni offerte, nonostante la maggior complessità del sistema.
La parte finale del lavoro si è concentrata sul sistema di scarico. Il confronto è stato eseguito tra quattro diverse soluzioni: doppio scarico con camera di espansione per cilindri in fase e non, doppio scarico con solo divergente e quattro scarichi indipendenti. Ciascuna soluzione restituisce performance diverse in termini di potenza, peso ed ingombri. Tra queste si è scelto il sistema che unisce sulla stessa bancata i cilindri a due a due, i quali condividono una camera di espansione formata da cono, tratto costante, controcono e terminale. Ogni geometria è stata ottimizzata per sfruttare al meglio gli effetti dinamici durante la fase di lavaggio.
Ottenuto il modello definitivo, era importante definire le prestazioni globali del motore in qualsiasi condizione operativa. Si è introdotto quindi un controllore sugli iniettori che ha permesso di valutare la portata di combustibile in condizioni di carico parzializzato. Questa informazione è stata utilizzata per la creazione dei piani quotati, in cui sono stati esaminati diversi parametri caratteristici del motore.
Definite le prestazioni globali del motore termico ci si è focalizzati sul sistema di propulsione ibrido. La definizione del sistema ibrido ha riguardato: la tipologia di macchina elettrica da accoppiare e il layout dell’accoppiamento tra l’unità termica ed elettrica. Definito il sistema, sono state stimate le prestazioni del powertrain ibrido, mettendo in luce i vantaggi ottenuti tramite questa configurazione. Gli aspetti più rilevanti in questo tipo di applicazione sono il peso, l’autonomia del velivolo e l’impatto della quota sulle prestazioni globali. Quest’ultima analisi è risultata fondamentale poiché si è osservato che il calo delle prestazioni del motore termico, dovuta alla diminuzione della densità dell’aria, è piuttosto marcato con l’aumento della quota di crociera.
Si può concludere che l’ottimizzazione sul motore termico ha permesso di raggiungere gli obiettivi di partenza, per quanto riguarda la potenza e il peso. Inoltre, si è potuto constatare che la scelta di adottare un sistema a propulsione ibrida si è rivelata la migliore configurazione possibile.
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