Un’architettura innovativa per Power Unit ibride per veicoli di piccole dimensioni: progettazione, analisi, produzione e sperimentazione

This thesis presents the development of a hybrid power-unit starting from a small engine derived from a motorcycle application. In particular, the system is made up of a brand new, single-cylinder 480 cc internal combustion engine developed on the basis of the Ducati “959 Superquadro” V90 2-cylinders engine. The thermal engine is assisted by a custom electric motor (30 kW), powered by a Li-Ion battery pack. The Ducati “959 Superquadro” engine is chosen because of its high power-to-weight ratio, and for taking advantage of its V90 2-cylinder layout. In fact, the vertical engine head is removed and it is replaced by the electric motor directly engaged to the crankshaft using the original valvetrain transmission chain, thus achieving a very compact package. This solution is suitable for many V-type engines and aims to obtain a small hybrid power unit, leaving the way open for possible motorcycle/small vehicle applications. The resulting internal combustion engine of this project is a single cylinder engine which would result to be unbalanced if compared to the original V90 configuration. For this reason, several unconventional balancing systems are investigated. In particular, one of the solutions consists in replacing the unused piston with a balancer rod obtaining an articulated quadrilateral mechanism. This solution allows to reduce the friction losses and to specially drop off the pumping losses. Parallelly, the possibility of keeping the original piston is considered which definitely represents a less invasive solution but determines a certain power loss due to both friction and pumping. The mechanical behaviour of the original chain is investigated performing a dynamic analysis of the whole crank mechanism. In particular, the twin cylinder model considering the original valvetrain system is compared with the single cylinder model engaged with the electric motor, in order to assess the possibility to use the chain for this specific purpose. A specific electric motor case is designed and manufactured via Additive Manufacturing technology, in order to include the chain housing, the electric motor cooling system and the lubricating system. Furthermore, the case flange is designed to perfectly fit with the original engine deck in order to allow the engine cooling circuit to match with the electric motor one. Specifically, a thermo-structural analysis is performed in order to assess the mechanical strength of the electric motor case. The output power and size of the electric motor are estimated developing a spreadsheet which considers the power dissipated by the vehicle taking into account the mass of the car, the rolling resistance, the drag force and the lift force. Moreover, the maximum amount of energy needed is calculated thus allowing the capacity of the battery to be determined. In particular, the model allows the best operating point for both the electric motor and the internal combustion engine to be identified. Several strategies are developed concerning the power split during different operating cycles and taking into account the vehicle performance, the fuel consumption and the electric energy consumption. Finally, a first prototype of the developed power-unit is manufactured and tested at the bench test thus providing useful experimental data for the validation of the different numerical models employed.

Questa tesi presenta lo sviluppo di una power-unit ibrida partendo da un motore di derivazione motociclistica. Il sistema è costituito da un motore monocilindrico di 480 cc di cilindrata sviluppato sulla base del bicilindrico a V di 90 gradi della Ducati "959 Superquadro". Il motore termico è assistito da un motore elettrico realizzato per questa specifica applicazione (30 kW), alimentato da un pacco batterie agli ioni di litio. Il motore Ducati è stato scelto per l’elevato rapporto peso-potenza e per sfruttare il layout dell’architettura a V. Infatti, la testata verticale è stata rimossa e sostituita dal motore elettrico, direttamente collegato all'albero motore tramite la catena di distribuzione originale, ottenendo così un sistema molto compatto. Questa soluzione è adatta per molti motori a V e mira a ottenere un propulsore ibrido di piccola taglia, lasciando la porta aperta per possibili applicazioni motociclistiche. Il motore a combustione interna di questo progetto è quindi un motore monocilindrico che risulterebbe sbilanciato rispetto alla configurazione originale (V90). Per questo motivo, sono stati analizzati diversi sistemi di equilibratura non convenzionali. In particolare, una delle soluzioni consiste nel sostituire il pistone inutilizzato con un bilanciere, ottenendo un meccanismo a quadrilatero articolato. Questa soluzione consente di ridurre le perdite per attrito e di eliminare le perdite di pompaggio. Tuttavia, è stata considerata la possibilità di mantenere il pistone originale che determina una perdita di potenza dovuta sia all'attrito che al pompaggio, ma che rappresenta però una soluzione meno invasiva. Il comportamento meccanico della catena originale è stato valutato eseguendo un'analisi dinamica dell'intero manovellismo. In particolare, è stato fatto un confronto tra il modello del motore bicilindrico, che considera il sistema di distribuzione originale, e il modello del monocilindrico collegato al motore elettrico, al fine di valutare la possibilità di utilizzare la catena per questo scopo specifico. Un altro aspetto importante riguarda la definizione della particolare geometria del case del motore elettrico, realizzato in Additive Manufacturing, al fine di includere l'alloggiamento della catena, il sistema di raffreddamento del motore elettrico e il sistema di lubrificazione. In particolare, la flangia di collegamento è progettata per adattarsi perfettamente al motore originale al fine di consentire al circuito di raffreddamento di combaciare con quello del motore elettrico. Inoltre, è stata eseguita un'analisi termo-strutturale al fine di valutare la resistenza meccanica del case. Il dimensionamento del motore elettrico e del pacco batterie sono stati stimati sviluppando un foglio di calcolo che considera la potenza dissipata dal veicolo tenendo conto della massa della vettura, della resistenza al rotolamento e delle forze aerodinamiche. In particolare, il modello consente di identificare il miglior punto di funzionamento sia per il motore elettrico che per il motore a combustione interna. Sono state sviluppate diverse strategie relative alla suddivisione della potenza durante diversi cicli operativi tenendo conto delle prestazioni del veicolo, del consumo di carburante e del consumo di energia elettrica. Infine, un primo prototipo della power-unit sviluppata è stato realizzato e testato al banco prova motore, fornendo così dati sperimentali utili per la validazione dei diversi modelli numerici impiegati.