STUDIO PER LO SVILUPPO DI MOTORI A DUE TEMPI INNOVATIVI

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.