Riassunto analitico
Nei 3 anni di dottorato la mia attività si è concentrata principalmente nello studio, sviluppo e sperimentazione di motori 2 tempi innovativi per applicazioni attuali.
A tale scopo durante i primi 2 anni, in collaborazione con il prof. Mattarelli, abbiamo studiato un range extender: un motore a combustione interna leggero e compatto, ma anche pulito ed efficiente, da poter attivare su di un veicolo elettrico per la ricarica delle batterie. Gli obiettivi ambiziosi del progetto hanno orientato la ricerca verso una nuova tipologia di motore, capace di sfruttare pienamente i vantaggi del ciclo a 2 tempi (alto rapporto potenza-peso, semplicità costruttiva) risolvendone al contempo i problemi intrinsechi (fuga di miscela fresca dallo scarico, lubrificazione poco efficiente, elevata usura dei componenti).
I risultati di questo studio e delle prove sperimentali sono descritte nell’articolo pubblicato su “Applied Energy” ( Vol. 202, 15-09-2017, Pages 507-526) intitolato “Design and experimental development of a compact and efficient range extender engine”.
Nel progetto del range extender la mia attenzione è stata principalmente rivolta agli aspetti costruttivi del motore, la cui principale criticità consiste nella necessità di ridurre il più possibile i pesi e gli ingombri, senza però ricorrere a tecnologie costruttive troppo costose. Essendo queste problematiche comuni alla maggior parte delle applicazioni automotive, la mia attenzione si è rivolta, durante il secondo anno, verso l’ottimizzazione di un collettore di scarico e di una forcella per applicazioni motociclistiche. L’esperienza maturata in questi progetti paralleli può essere immediatamente applicata allo sviluppo dei motori a 2 tempi.
Durante l’ultimo anno mi sono dedicato allo studio di un nuovo tipo di propulsore a 2 tempi, anch’esso destinato a funzionare come generatore di corrente, finalizzato a colmare esigenze specifiche derivanti dai luoghi e dalle situazioni in cui opera: un piccolo generatore portatile per trasporto a spalla con un alto rapporto potenza peso (>0.5 kW/kg), funzionante a gasolio o cherosene, facile da riparare ed efficiente in termini di consumi. La cilindrata necessaria ad ottenere i 10 kW elettrici richiesti è stimata in circa 200 dm3. Il peso complessivo, per non gravare troppo sulla persona durante il trasporto, dovrebbe essere inferiore ai 18 kg.
I primi passi verso questo sviluppo sono stati quindi quelli di utilizzare componenti con meno elettronica possibile, eliminare tutto ciò che potesse recare problematiche dovute ad usura e semplificare il più possibile l’architettura di questo motore.
A tale scopo concorre il fatto che, pur essendo un motore 2 tempi, non è presente il pacco lamellare: la corretta lubrificazione è assicurata da un particolare ugello posto sotto il pistone. Non vi è quindi l’esigenza di una miscela olio-combustibile, ma si possono avere due serbatoi separati.
Inoltre la testata presenta una pre-camera dove è collocato il punto di iniezione del carburante: viene utilizzato un iniettore tradizionale con pompa meccanica per non avere problematiche di affidabilità. Questa particolare architettura ha dato ottimi risultati nelle simulazioni monodimensionali. A seguito di questi primi risultati sono state modellate le superfici di passaggio del fluido per procedere con simulazioni di flusso tramite modelli tridimensionali. I dati ottenuti hanno permesso di affinare il modello monodimensionale ed ottenere quindi una previsione esatta dei risultati del motore in termini di performance ma anche di emissioni e consumi. La modellazione meccanica tridimensionale dell’intero motore (studio di fattibilità) permette poi non solo di verificare gli ingombri reali del motore ma anche di stimare il suo peso e verificare i costi di produzione.
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Abstract
In the 3 years of my PhD, my activity has focused mainly on the study, development and testing of innovative 2-stroke engines for current applications.
For this purpose, during the first 2 years, in collaboration with Professor Mattarelli, we have studied a range extender: a light and compact , but also clean and efficient, internal combustion engine to be activated on an electric vehicle to recharge the batteries. The ambitious objectives of the project have oriented the research towards a new type of engine, able to fully exploit the advantages of the 2-stroke cycle (high power-to-weight ratio, simple construction) solving at the same time the intrinsic problems (escape of fresh mixture from the exhaust , inefficient lubrication, high wear of the components).
The results of this study and of the experimental tests have been described in the article published in "Applied Energy" (Vol. 202, 15th September 2017, Pages 507-526) entitled "Design and experimental development of a compact and efficient range extender engine".
In the range extender project my attention was mainly focused on the engine construction aspects, whose main problem is the need to reduce the weights and overall dimensions as much as possible, without resorting to too expensive construction technologies. Since these problems are common to most automotive applications, my attention turned, during the second year, towards the optimization of an exhaust manifold and a fork for motorcycle applications. The experience gained in these parallel projects can be immediately applied to the development of 2-stroke engines.
During the last year I put my attention on the study of a new type of 2-stroke engine, also designed to function as a power generator, designed to fill specific needs arising from the places and situations in which it operates: a small portable generator for shoulder transport with a high power weight ratio (> 0.5 kW / kg), running on diesel oil or kerosene, easy to repair and efficient in terms of consumption. The displacement necessary to obtain the required 10 kW electric power is estimated at around 200 dm3. The overall weight, in order not to burden the person too much during transport, should be less than 18 kg.
The first steps towards this development were therefore to use components with as little electronics as possible, to eliminate anything that could cause problems due to wear and to simplify the architecture of this engine as much as possible.
Positive for this purpose is the fact that, despite being a 2-stroke engine, there is no lamellar pack: the correct lubrication is ensured by a particular nozzle located under the piston. There is therefore no need for an oil-fuel mixture, but there may be two separate tanks. Furthermore, the head also has a pre-chamber where the fuel injection point is located: a traditional injector with a mechanical pump is used to avoid reliability problems. This particular architecture has given excellent results in one-dimensional simulations. Following these initial results, the fluid flow surfaces were modeled to proceed with flow simulations using three-dimensional models. The data obtained allowed to refine the one-dimensional model and obtain an exact prediction of the engine results in terms of performance but also of emissions and consumption. The three-dimensional mechanical modeling of the entire engine (feasibility study) allows then not only to verify the real dimensions of the engine but also to estimate its weight and verify the production costs.
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