Sviluppo di algoritmi avanzati di analisi e diagnosi combustione in tempo reale per motori endotermici alternativi

Increasingly stringent exhaust emission limits and higher fuel economy are the main drivers of the engine development process. As a consequence, the complexity of the propulsion units and its subsystems increase, due to the extensive use of sensors and actuators needed to obtain a precise control over the combustion phase. Since engine calibration process consumes most of the development time, new tools and methodologies are needed to shorten the development time and increase the performance attainable. Real time combustion analysis, based on the in-cylinder pressure signal, can significantly improve the calibration of the engine control strategies and the development of new algorithms, giving instantaneous feedback on the engine behavior. A complete combustion analysis and diagnosis system has been developed, capable of evaluating the most important indicators about the combustion process, such as indicated mean effective pressure, heat release, mass fraction burned and knock indexes. Such a tool is built on top of a flexible, modular and affordable hardware platform, capable of satisfying the requirements needed for accuracy and precision, but also enabling the use directly on-board the vehicle, due to its small form factor.

Analisi della dinamica e composizione chimica del particolato atmosferico mediante un modello alla mesoscala

The vertical profile of aerosol in the planetary boundary layer of the Milan urban area is studied in terms of its development and chemical composition in a high-resolution modelling framework. The period of study spans a week in summer of 2007 (12-18 July), when continuous LIDAR measurements and a limited set of balloon profiles were collected in the frame of the ASI/QUITSAT project. LIDAR observations show a diurnal development of an aerosol plume that lifts early morning surface emissions to the top of the boundary layer, reaching maximum concentration around midday. Mountain breeze from Alps clean the bottom of the aerosol layer, typically leaving a residual layer at around 1500-2000 m which may survive for several days. During the last two days under analysis, a dust layer transported from Sahara reaches the upper layers of Milan area and affects the aerosol vertical distribution in the boundary layer. Simulation from the MM5/CHIMERE modelling system, carried out at 1 km horizontal resolution, qualitatively reproduced the general features of the Milan aerosol layer observed with LIDAR, including the rise and fall of the aersol plume, the residual layer in altitude and the Saharan dust event. The simulation highlighted the importance of nitrates and secondary organics in its composition. Several sensitivity tests showed that main driving factors leading to the dominance of nitrates in the plume are temperature and gas absorption process. A modelling study turn to the analysis of the vertical aerosol profiles distribution and knowledge of the characterization of the PM at a site near the city of Milan is performed using a model system composed by a meteorological model MM5 (V3-6), the mesoscale model from PSU/NCAR and a Chemical Transport Model (CTM) CHIMERE to simulate the vertical aerosol profile. LiDAR continuous observations and balloon profiles collected during two intensive campaigns in summer 2007 and in winter 2008 in the frame of the ASI/QUITSAT project have been used to perform comparisons in order to evaluate the ability of the aerosol chemistry transport model CHIMERE to simulate the aerosols dynamics and compositions in this area. The comparisons of model aerosols with measurements are carried out over a full time period between 12 July 2007 and 18 July 2007. The comparisons demonstrate the ability of the model to reproduce correctly the aerosol vertical distributions and their temporal variability. As detected by the LiDAR, the model during the period considered, predicts a diurnal development of a plume during the morning and a clearing during the afternoon, typically the plume reaches the top of the boundary layer around mid day, in this time CHIMERE produces highest concentrations in the upper levels as detected by LiDAR. The model, moreover can reproduce LiDAR observes enhancement aerosols concentrations above the boundary layer, attributing the phenomena to dust out intrusion. Another important information from the model analysis regard the composition , it predicts that a large part of the plume is composed by nitrate, in particular during 13 and 16 July 2007 , pointing to the model tendency to overestimates the nitrous component in the particular matter vertical structure . Sensitivity study carried out in this work show that there are a combination of different factor which determine the major nitrous composition of the “plume” observed and in particular humidity temperature and the absorption phenomena are the mainly candidate to explain the principal difference in composition simulated in the period object of this study , in particular , the CHIMERE model seems to be mostly sensitive to the absorption process.

Analisi numerica della combustione di gas a basso potere calorifico per applicazioni a microturbine a gas

Il presente lavoro si occupa dell’analisi numerica di combustione di gas a basso potere calorifico (gas di sintesi derivanti da pirolisi di biomasse). L’analisi è stata condotta su due principali geometrie di camera di combustione. La prima è un bruciatore sperimentale da laboratorio adatto allo studio delle proprietà di combustione del singas. Esso è introdotto in camera separatamente rispetto ad una corrente d’aria comburente al fine di realizzare una combustione non-premiscelata diffusiva in presenza di swirl. La seconda geometria presa in considerazione è la camera di combustione anulare installata sulla microturbina a gas Elliott TA 80 per la quale si dispone di un modello installato al banco al fine dell’esecuzione di prove sperimentali. I principali obbiettivi conseguiti nello studio sono stati la determinazione numerica del campo di moto a freddo su entrambe le geometrie per poi realizzare simulazioni in combustione mediante l’utilizzo di diversi modelli di combustione. In particolare è stato approfondito lo studio dei modelli steady laminar flamelet ed unsteady flamelet con cui sono state esaminate le distribuzioni di temperatura e delle grandezze tipiche di combustione in camera, confrontando i risultati numerici ottenuti con altri modelli di combustione (Eddy Dissipation ed ED-FR) e con i dati sperimentali a disposizione. Di importanza fondamentale è stata l’analisi delle emissioni inquinanti, realizzata per entrambe le geometrie, che mostra l’entità di tali emissioni e la loro tipologia. Relativamente a questo punto, il maggior interesse si sposta sui risultati ottenuti numericamente nel caso della microturbina, per la quale sono a disposizione misure di emissione ottenute sperimentalmente. Sempre per questa geometria è stato inoltre eseguito il confronto fra microturbina alimentata con singas a confronto con le prestazioni emissive ottenute con il gas naturale. Nel corso dei tre anni, l’esecuzione delle simulazioni e l’analisi critica dei risultati ha suggerito alcuni limiti e semplificazioni eseguite sulle griglie di calcolo realizzate per lo studio numerico. Al fine di eliminare o limitare le semplificazioni o le inesattezze, le geometrie dei combustori e le griglie di calcolo sono state migliorate ed ottimizzate. In merito alle simulazioni realizzate sulla geometria del combustore della microturbina Elliott TA 80 è stata condotta dapprima l’analisi numerica di combustione a pieno carico per poi analizzare le prestazioni ai carichi parziali. Il tutto appoggiandosi a tecniche di simulazione RANS ed ipotizzando alimentazioni a gas naturale e singas derivato da biomasse. Nell’ultimo anno di dottorato è stato dedicato tempo all’approfondimento e allo studio della tecnica Large Eddy Simulation per testarne una applicazione alla geometria del bruciatore sperimentale di laboratorio. In tale simulazione è stato implementato l’SGS model di Smagorinsky-Lilly completo di combustione con modelli flamelet. Dai risultati sono stati estrapolati i profili di temperatura a confronto con i risultati sperimentali e con i risultati RANS. Il tutto in diverse simulazioni a diverso valore del time-step imposto. L’analisi LES, per quanto migliorabile, ha fornito risultati sufficientemente precisi lasciando per il futuro la possibilità di approfondire nuovi modelli adatti all’applicazione diretta sulla MTG.

Ingegneria di Manutenzione

Lo scopo di questa tesi di dottorato di ricerca consiste nel fornire la giusta collocazione della manutenzione fra le discipline dell'ingegneria, raccogliendo e formalizzando le metodologie di analisi di affidabilità e di pianificazione degli interventi all'interno di un unico processo di progettazione e di controllo. In linea di principio, un processo di analisi dei guasti e di programmazione della manutenzione deve essere in grado di fornire chiare e sicure risposte ai seguenti interrogativi: Quali sono le funzioni richieste e con quali criteri di prestazioni il sistema è chiamato ad assolverle? Qual'è l'andamento della disponibilità del sistema in funzione del tempo? Quanti guasti e di quale tipo si possono verificare durante la vita del sistema? Quali possono essere le conseguenze che ledono la sicurezza e la protezione ambientale? Quanti pezzi di ricambio sono necessari? Che tipo di interventi di manutenzione preventiva risultano tecnicamente fattibili? A quali scadenze devono essere programmati? A quanto ammonta la previsione del costo di esercizio del sistema? Quante squadre di manutenzione devono essere assegnate al sistema? Come deve essere organizzata la logistica di manutenzione? Con quali tecniche si prevede di riconoscere i guasti e quali procedure devono essere attivate per farvi fronte? E' possibile implementare tecniche di `condition monitoring' delle macchine? Su quali tempi di preavviso sui guasti si può contare? In tal senso, la manutenzione necessita delle tecniche e degli opportuni strumenti che siano in grado di misurarne l'efficacia e l'efficienza. L'efficacia in primo luogo, in quanto l'obiettivo principe consiste nel garantire che il sistema oggetto di studio continui a svolgere le proprie funzioni nei limiti di prestazioni accettabili, secondo le specifiche richieste degli utilizzatori. L'efficienza in secondo luogo, ma non per questo di minore importanza, in quanto perseguendo l'obiettivo di cui sopra, occorre impegnare il minimo di risorse possibili, organizzando con razionalità il supporto logistico del sistema al fine di raggiungere i massimi livelli di rendimento di gestione. La migliore strategia di manutenzione può essere pianificata, a priori, solo se si è in grado di prevedere con la necessaria precisione l'evoluzione del sistema nel suo contesto operativo futuro. E' allora possibile formulare un modello matematico del sistema, studiarne la dinamica ed osservare le reazioni alla simulazione di eventuali stimoli esterni. I metodi ed i modelli noti dell'ingegneria dei sistemi possono essere molto utili per la risoluzione di casi semplici, ma sovente richiedono la formulazione di ipotesi troppo restrittive che aumentano in modo inaccettabile la distanza del modello dalla realtà. Una strada alternativa ed affascinante, che ho percorso con entusiasmo durante questi tre anni di studi e ricerca, consiste nella simulazione numerica della vita del sistema, utilizzando il metodo Monte Carlo per la gestione dei processi stocastici di guasto e per l'esecuzione degli interventi di manutenzione. Ho quindi messo a punto il codice di simulazione RAMSES, perseguendo l'idea di costruire uno strumento di misura dell'efficacia e dell'efficienza di una politica di manutenzione simulata al calcolatore. Nella tesi si presentano i concetti di base dell'ingegneria dei sistemi applicata al caso della manutenzione e si introduce il formalismo della Reliability Centred Maintenance come miglior guida nella pianificazione delle schede di manutenzione. Si introducono le nozioni di base per fornire una struttura solida e corretta alla simulazione numerica dei sistemi riparabili e si presenta il codice RAMSES corredando le informazioni tecniche con i dovuti esempi ed applicazioni pratiche. Si conclude il lavoro, infine, con la presentazione di un modello di massima verosimiglianza particolarmente utile per le analisi dei dati sperimentali di guasto dei componenti.

CFD modeling of two-phase boiling flows in the slug flow regime with an interface capturing technique

The objective of this thesis was to improve the commercial CFD software Ansys Fluent to obtain a tool able to perform accurate simulations of flow boiling in the slug flow regime. The achievement of a reliable numerical framework allows a better understanding of the bubble and flow dynamics induced by the evaporation and makes possible the prediction of the wall heat transfer trends. In order to save computational time, the flow is modeled with an axisymmetrical formulation. Vapor and liquid phases are treated as incompressible and in laminar flow. By means of a single fluid approach, the flow equations are written as for a single phase flow, but discontinuities at the interface and interfacial effects need to be accounted for and discretized properly. Ansys Fluent provides a Volume Of Fluid technique to advect the interface and to map the discontinuous fluid properties throughout the flow domain. The interfacial effects are dominant in the boiling slug flow and the accuracy of their estimation is fundamental for the reliability of the solver. Self-implemented functions, developed ad-hoc, are introduced within the numerical code to compute the surface tension force and the rates of mass and energy exchange at the interface related to the evaporation. Several validation benchmarks assess the better performances of the improved software. Various adiabatic configurations are simulated in order to test the capability of the numerical framework in modeling actual flows and the comparison with experimental results is very positive. The simulation of a single evaporating bubble underlines the dominant effect on the global heat transfer rate of the local transient heat convection in the liquid after the bubble transit. The simulation of multiple evaporating bubbles flowing in sequence shows that their mutual influence can strongly enhance the heat transfer coefficient, up to twice the single phase flow value.

Co-simulazione e co-progetto non lineare/elettromagnetico di sistemi wireless non convenzionali

L’attività di ricerca contenuta in questa tesi si è concentrata nello sviluppo e nell’implementazione di tecniche per la co-simulazione e il co-progetto non lineare/elettromagnetico di sistemi wireless non convenzionali. Questo lavoro presenta un metodo rigoroso per considerare le interazioni tra due sistemi posti sia in condizioni di campo vicino che in condizioni di campo lontano. In sostanza, gli effetti del sistema trasmittente sono rappresentati da un generatore equivalente di Norton posto in parallelo all’antenna del sistema ricevente, calcolato per mezzo del teorema di reciprocità e del teorema di equivalenza. La correttezza del metodo è stata verificata per mezzo di simulazioni e misure, concordi tra loro. La stessa teoria, ampliata con l’introduzione degli effetti di scattering, è stata usata per valutare una condizione analoga, dove l’elemento trasmittente coincide con quello ricevente (DIE) contenuto all’interno di una struttura metallica (package). I risultati sono stati confrontati con i medesimi ottenibili tramite tecniche FEM e FDTD/FIT, che richiedono tempi di simulazione maggiori di un ordine di grandezza. Grazie ai metodi di co-simulazione non lineari/EM sopra esposti, è stato progettato e verificato un sistema di localizzazione e identificazione di oggetti taggati posti in ambiente indoor. Questo è stato ottenuto dotando il sistema di lettura, denominato RID (Remotely Identify and Detect), di funzioni di scansione angolare e della tecnica di RADAR mono-pulse. Il sistema sperimentale, creato con dispositivi low cost, opera a 2.5 GHz ed ha le dimensioni paragonabili ad un normale PDA. E’ stato sperimentata la capacità del RID di localizzare, in scenari indoor, oggetti statici e in movimento.

Dinamica dell’intrusione salina nella costa ravennate: aspetti idrogeochimici ed evoluzione attesa

Nell’ambito del progetto multidisciplinare “Coastal Salt Water Intrusion”, che si propone di indagare “l’Intrusione salina nella costa ravennate con i conseguenti impatti territoriali-ambientali, connessi al previsto innalzamento del livello marino per cause climatiche e di subsidenza”, si inserisce il presente studio con l’obiettivo di fornire una caratterizzazione idrogeochimica delle acque di falda e superficiali e un modello geochimico generale sui processi di salinizzazione o desalinizzazione in atto nella falda freatica costiera della costa ravennate. E’ stato fatto un confronto fra tre metodiche di estrazione del complesso di scambio della matrice solida dell’acquifero che utilizzano rispettivamente acetato di ammonio, cloruro di bario e argento-tiourea. Sono stati posizionati 5 transetti perpendicolari alla linea di costa per un totale di 44 punti di campionamento con due campagne di prelievi, al termine della primavera e al termine dell’estate. La caratterizzazione dei processi di mixing e scambio ionico con la matrice solida dell’acquifero è avvenuta mediante analisi dei cationi ed anioni fondamentali, determinazione della CEC sulla matrice solida dell’acquifero, modellizzazione mixing/scambio ionico, modellizzazione della composizione teorica della frazione scambiabile in funzione della composizione acqua all’equilibrio e interpolazione geostatistica dei dati raccolti e costruzione di mappe geochimiche (curve di iso-concentrazione). La metodologia di estrazione che utilizza il bario-cloruro è risultata la più affidabile. Le acque prelevate dalla falda superficiale evidenziano miscelazione in varie proporzioni acqua marina/acqua dolce, scambi ionici per interazione acqua/sedimento, dissoluzione di CaSO4.2H2O. I processi di salinizzazione e/o addolcimento mostrano una significativa variabilità nello spazio (variabilità legata alla distanza dalla costa, al profilo topografico e alla distribuzione dei corpi sabbiosi litoranei) e nel tempo (variabilità legata alla piovosità e alla gestione delle acque superficiali e del sottosuolo). La complessa variabilità spazio-temporale dei processi in atto nella falda superficiale non consente di evidenziare una complessiva prevalenza di fenomeni di salinizzazione rispetto a quelli di addolcimento.

Development of control-oriented models of Dual Clutch Transmission systems

A control-oriented model of a Dual Clutch Transmission was developed for real-time Hardware In the Loop (HIL) applications, to support model-based development of the DCT controller. The model is an innovative attempt to reproduce the fast dynamics of the actuation system while maintaining a step size large enough for real-time applications. The model comprehends a detailed physical description of hydraulic circuit, clutches, synchronizers and gears, and simplified vehicle and internal combustion engine sub-models. As the oil circulating in the system has a large bulk modulus, the pressure dynamics are very fast, possibly causing instability in a real-time simulation; the same challenge involves the servo valves dynamics, due to the very small masses of the moving elements. Therefore, the hydraulic circuit model has been modified and simplified without losing physical validity, in order to adapt it to the real-time simulation requirements. The results of offline simulations have been compared to on-board measurements to verify the validity of the developed model, that was then implemented in a HIL system and connected to the TCU (Transmission Control Unit). Several tests have been performed: electrical failure tests on sensors and actuators, hydraulic and mechanical failure tests on hydraulic valves, clutches and synchronizers, and application tests comprehending all the main features of the control performed by the TCU. Being based on physical laws, in every condition the model simulates a plausible reaction of the system. The first intensive use of the HIL application led to the validation of the new safety strategies implemented inside the TCU software. A test automation procedure has been developed to permit the execution of a pattern of tests without the interaction of the user; fully repeatable tests can be performed for non-regression verification, allowing the testing of new software releases in fully automatic mode.

A numerical methodology for the multi-objective optimization of the DI Diesel engine combustion

DI Diesel engine are widely used both for industrial and automotive applications due to their durability and fuel economy. Nonetheless, increasing environmental concerns force that type of engine to comply with increasingly demanding emission limits, so that, it has become mandatory to develop a robust design methodology of the DI Diesel combustion system focused on reduction of soot and NOx simultaneously while maintaining a reasonable fuel economy. In recent years, genetic algorithms and CFD three-dimensional combustion simulations have been successfully applied to that kind of problem. However, combining GAs optimization with actual CFD three-dimensional combustion simulations can be too onerous since a large number of calculations is usually needed for the genetic algorithm to converge, resulting in a high computational cost and, thus, limiting the suitability of this method for industrial processes. In order to make the optimization process less time-consuming, CFD simulations can be more conveniently used to generate a training set for the learning process of an artificial neural network which, once correctly trained, can be used to forecast the engine outputs as a function of the design parameters during a GA optimization performing a so-called virtual optimization. In the current work, a numerical methodology for the multi-objective virtual optimization of the combustion of an automotive DI Diesel engine, which relies on artificial neural networks and genetic algorithms, was developed.

Modellazione Tridimensionale del Processo di Combustione di un Razzo a Propellente Solido

La regolazione dei sistemi di propulsione a razzo a propellente solido (Solid Rocket Motors) ha da sempre rappresentato una delle principali problematiche legate a questa tipologia di motori. L’assenza di un qualsiasi genere di controllo diretto del processo di combustione del grano solido, fa si che la previsione della balistica interna rappresenti da sempre il principale strumento utilizzato sia per definire in fase di progetto la configurazione ottimale del motore, sia per analizzare le eventuali anomalie riscontrate in ambito sperimentale. Variazioni locali nella struttura del propellente, difettosità interne o eterogeneità nelle condizioni di camera posso dare origine ad alterazioni del rateo locale di combustione del propellente e conseguentemente a profili di pressione e di spinta sperimentali differenti da quelli previsti per via teorica. Molti dei codici attualmente in uso offrono un approccio piuttosto semplificato al problema, facendo per lo più ricorso a fattori correttivi (fattori HUMP) semi-empirici, senza tuttavia andare a ricostruire in maniera più realistica le eterogeneità di prestazione del propellente. Questo lavoro di tesi vuole dunque proporre un nuovo approccio alla previsione numerica delle prestazioni dei sistemi a propellente solido, attraverso la realizzazione di un nuovo codice di simulazione, denominato ROBOOST (ROcket BOOst Simulation Tool). Richiamando concetti e techiche proprie della Computer Grafica, questo nuovo codice è in grado di ricostruire in processo di regressione superficiale del grano in maniera puntuale, attraverso l’utilizzo di una mesh triangolare mobile. Variazioni locali del rateo di combustione posso quindi essere facilmente riprodotte ed il calcolo della balistica interna avviene mediante l’accoppiamento di un modello 0D non-stazionario e di uno 1D quasi-stazionario. L’attività è stata svolta in collaborazione con l’azienda Avio Space Division e il nuovo codice è stato implementato con successo sul motore Zefiro 9.

Automotive diesel engine transient operation: modeling, optimization and control

Traditionally, the study of internal combustion engines operation has focused on the steady-state performance. However, the daily driving schedule of automotive engines is inherently related to unsteady conditions. There are various operating conditions experienced by (diesel) engines that can be classified as transient. Besides the variation of the engine operating point, in terms of engine speed and torque, also the warm up phase can be considered as a transient condition. Chapter 2 has to do with this thermal transient condition; more precisely the main issue is the performance of a Selective Catalytic Reduction (SCR) system during cold start and warm up phases of the engine. The proposal of the underlying work is to investigate and identify optimal exhaust line heating strategies, to provide a fast activation of the catalytic reactions on SCR. Chapters 3 and 4 focus the attention on the dynamic behavior of the engine, when considering typical driving conditions. The common approach to dynamic optimization involves the solution of a single optimal-control problem. However, this approach requires the availability of models that are valid throughout the whole engine operating range and actuator ranges. In addition, the result of the optimization is meaningful only if the model is very accurate. Chapter 3 proposes a methodology to circumvent those demanding requirements: an iteration between transient measurements to refine a purpose-built model and a dynamic optimization which is constrained to the model validity region. Moreover all numerical methods required to implement this procedure are presented. Chapter 4 proposes an approach to derive a transient feedforward control system in an automated way. It relies on optimal control theory to solve a dynamic optimization problem for fast transients. From the optimal solutions, the relevant information is extracted and stored in maps spanned by the engine speed and the torque gradient.