Riassunto analitico
Nelle applicazioni hands-on, il motore più utilizzato risulta essere il motore a combustione interna due tempi. Questo è dovuto principalmente alle sue caratteristiche come la leggerezza e la semplicità costruttiva. Il motore 2T risulta essere meno complesso del più diffuso motore 4T e ciò è dovuto all’assenza di molti componenti come ad esempio le valvole e tutti gli alberi e le catene legate alla distribuzione. Proprio l’assenza di tutta la meccanica associata al controllo della distribuzione risulta essere un problema, questo in quanto la gestione della fase di lavaggio risulta essere molto più complessa e per questo motivo, le emissioni ed i consumi rappresentano il punto debole di tale tipologia di motori.
In ottica di ridurre le emissioni ed i consumi del motore, è stato sviluppato il motore a due tempi con carica stratificata. Questa tecnica fa uso di un canale ausiliario per immettere dell’aria all’interno dei travasi, in modo da spingere la miscela di aria-combustibile presente al loro interno verso il carter. Così facendo, la prima parte del fluido che giungerà allo scarico durante la fase di lavaggio (cortocircuitando) sarà povera di combustibile.
Il risultato atteso da questa tecnica è un risparmio di combustibile ed una diminuzione degli idrocarburi incombusti prodotti. Il lavoro di tesi è incentrato sullo studio di un motore 2T impiegato all’interno di motoseghe: l’obiettivo è quello di sviluppare un nuovo motore (partendo da quello già prodotto dall’azienda) con la stratificazione della carica.
Una prima fase del lavoro è stata svolta nell’ottica di sviluppare una metodologia per effettuare lo studio del lavaggio del motore 2T. É stato quindi necessario dover provvedere alla realizzazione del modello CAD del motore in esame. La geometria è stata realizzata in modo tale da avere le grandezze d’interesse inserite come parametri: in questo modo tutto è stato preparato per avere una fase di ottimizzazione più rapida, senza dover di volta in volta aprire l’ambiente CAD per modificare la geometra. Successivamente allo sviluppo di una metodologia di studio del lavaggio per un motore 2T, si è passati ad una fase di ottimizzazione del motore con stratificazione della carica.
Partendo dalla geometria iniziale (estremamente semplificata) si è proceduto cercando di ottenere prima dei valori accettabili di Delivery Ratio, per poi passare a lavorare sulla sezione e geometria dei travasi. Una volta ottenuti valori soddisfacenti del DR (circa del 50%), l’attenzione è stata posta a migliorare il processo di lavaggio, cercando di ridurre sensibilmente la quantità di residui all’interno del cilindro al termine della fase di lavaggio.
Dopo aver concluso la prima fase di ottimizzazione, è stato necessario realizzare alcune geometrie con software CAD dedicati. Il risultato ottenuto al termine del lavoro di tesi è stato alquanto soddisfacente, poiché si è riuscito a sviluppare un modello in grado di garantire rendimenti sia in termini di delivery ratio molto elevati (51,7%), sia per quanto riguarda il trapping del combustibile (88,3%). Inoltre un altro risultato importante ottenuto è quello metodologico: è stato possibile valutare fino a che punto si può studiare, a livello fluidodinamico, un concept di motore mantenendo la geometria fortemente parametrica.
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Abstract
In the hands-on applications, the two-stroke engine is the most used. This is due to the lightness and the economy of the engine and his development. The two-stroke engine is much simpler than the most common four-stroke engine because of the absence of all the distribution shafts and valves, but without the valves and all the associated controls, there are so many problems, like the impossibility to control the scavenging process. The emissions and the consumptions are the weakest spots of this kind of engines.
In order to achieve lower emissions and consumptions, the two-stroke engine with the charge stratification has been developed. This is a technique that use an auxiliary channel to pump the clean air in the transfer ports, in order to push the fresh charge back in the crankcase. So the first part of the flow that goes to the exhaust during the scavenging process is poor of fuel.
The result of this technique is a fuel save and a reduction of the HC product. This thesis work is based on the study of the two-stroke engine used for chainsaws: the target is to develop a new engine with the charge stratification.
The focus of the first phase of the work is based on the development of a new methodology to study the scavenging process in a two-stroke engine. It has been necessary to generate the CAD model of the engine.
Parametric dimensions were used for the dimensions of interest: in this way the optimization phase will be faster, without modifying the CAD each time. After the methodology development of the scavenging study for a two-stroke engine, the optimization phase is followed.
Starting from the first geometry (extremely simplified), the first target of the optimization phase was to obtain high DR values. Once the DR target has been reached (50%), the second target was to improve the scavenging process.
The result at the end of the work was very good. Delivery ratio and the trapping efficiency of the fuel reached very high values: 51,7% for the DR and 88,3% for the trapping.
Another relevant result has been the methodologic one, it has been possible to understand the limit of the CFD study using the geometry of the engine concept highly parametric.
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