Analisi monodimensionale dei parametri fluidodinamici e prestazionali di motori a pistoni liberi = 1D analysis of fluid-dynamic and performance parameters in free-piston engines

Uno degli obiettivi principali degli studi che vengono effettuati sui motori a combustione interna consiste nel migliorare l’efficienza del motore stesso, un aspetto cruciale nel contesto dell’ottimizzazione energetica e della riduzione dei consumi e delle emissioni. A tal proposito, uno dei fattori maggiormente significativi di riduzione dell’efficienza è dato dalle perdite per attrito, le quali si hanno principalmente tra pistone e cilindro, nei cuscinetti dell’albero motore e dell’albero a camme e nelle valvole. In particolare il meccanismo biella manovella, comunemente utilizzato nei motori a combustione interna, contribuisce in modo significativo alla perdita di attrito attraverso la formazione di forze laterali del pistone che maggiorano l’attrito tra quest’ultimo e ed il rivestimento del cilindro. Per ovviare a questo problema si è quindi cominciato a sviluppare un modello di motore detto a pistone libero, nel quale il meccanismo biella manovella viene eliminato, consentendo al pistone di muoversi liberamente all’interno del cilindro, senza alcun vincolo meccanico che leghi la sua posizione al movimento rotatorio dell’albero a camme. Di conseguenza, il moto del pistone è determinato unicamente dalle leggi termodinamiche che regolano la combustione interna. Nella presente trattazione ci si è posti l’obiettivo di sviluppare una serie di competenze generali su questa tipologia di motori, approfondendo una letteratura costituita per la maggior parte da articoli in lingua inglese e difficilmente reperibili in rete. Inoltre ci si è proposti di fornire indicazioni pratiche per un’eventuale installazione ed implementazione di questa tipologia di motori. Ciò è stato fatto conducendo una serie di simulazioni tramite un modello Gasdyn, il quale ha permesso di stimare diversi indicatori prestazionali del motore in funzione della variazione di alcuni parametri di input. Queste simulazioni hanno permesso di avere una visione più dettagliata sui meccanismi che regolano il funzionamento del motore e delle prestazioni di quest’ultimo in condizioni operative diverse. Infine, sulla base dei risultati ottenuti dalle varie simulazioni, è stato sviluppato un modello semi-empirico di correlazione tra una serie di variabili di input ed una variabile di output. Questo modello è stato progettato per fornire uno strumento di calcolo rapido, in grado di stimare con buona precisione le prestazioni di un motore a pistone libero conoscendo una serie di parametri principali. Tale modello può risultare molto utile nelle prime fasi di progettazione in quanto consente di effettuare previsioni dei parametri prestazionali affidabili, senza dover ricorrere necessariamente all’utilizzo del programma di simulazione.