Sviluppo di sistemi per l'analisi della combustione in tempo reale per motori endotermici alternativi

I moderni motori a combustione interna diventano sempre più complessi L'introduzione della normativa antinquinamento EURO VI richiederà una significativa riduzione degli inquinanti allo scarico. La maggiore criticità è rappresentata dalla riduzione degli NOx per i motori Diesel da aggiungersi a quelle già in vigore con le precedenti normative. Tipicamente la messa a punto di una nuova motorizzazione prevede una serie di test specifici al banco prova. Il numero sempre maggiore di parametri di controllo della combustione, sorti come conseguenza della maggior complessità meccanica del motore stesso, causa un aumento esponenziale delle prove da eseguire per caratterizzare l'intero sistema. L'obiettivo di questo progetto di dottorato è quello di realizzare un sistema di analisi della combustione in tempo reale in cui siano implementati diversi algoritmi non ancora presenti nelle centraline moderne. Tutto questo facendo particolare attenzione alla scelta dell'hardware su cui implementare gli algoritmi di analisi. Creando una piattaforma di Rapid Control Prototyping (RCP) che sfrutti la maggior parte dei sensori presenti in vettura di serie; che sia in grado di abbreviare i tempi e i costi della sperimentazione sui motopropulsori, riducendo la necessità di effettuare analisi a posteriori, su dati precedentemente acquisiti, a fronte di una maggior quantità di calcoli effettuati in tempo reale. La soluzione proposta garantisce l'aggiornabilità, la possibilità di mantenere al massimo livello tecnologico la piattaforma di calcolo, allontanandone l'obsolescenza e i costi di sostituzione. Questa proprietà si traduce nella necessità di mantenere la compatibilità tra hardware e software di generazioni differenti, rendendo possibile la sostituzione di quei componenti che limitano le prestazioni senza riprogettare il software.

Comportamento tribologico di materiali per componenti di interesse industriale: Failure analysis e prove tribologiche in laboratorio

L’attività di ricerca della presente tesi di dottorato ha riguardato sistemi tribologici complessi di interesse industriale per i quali sono stati individuati, mediante failure analysis, i meccanismi di usura dominanti. Per ciascuno di essi sono state studiate soluzioni migliorative sulla base di prove tribologiche di laboratorio. Nella realizzazione di maglie per macchine movimentazione terra sono ampiamente utilizzati i tradizionali acciai da bonifica. La possibilità di utilizzare i nuovi microlegati a medio tenore di carbonio, consentirebbe una notevole semplificazione del ciclo produttivo e benefici in termini di costi. Una parte della tesi ha riguardato lo studio del comportamento tribologico di tali acciai. E’ stato anche affrontato lo studio tribologico di motori idraulici, con l’obiettivo di riuscire a migliorarne la resistenza ad usura e quindi la vita utile. Sono state eseguite prove a banco, per valutare i principali meccanismi di usura, e prove di laboratorio atte a riprodurre le reali condizioni di utilizzo, valutando tecniche di modificazione superficiale che fossero in grado di ridurre l’usura dei componenti. Sono state analizzate diverse tipologie di rivestimenti Thermal Spray in termini di modalità di deposizione (AFS-APS) e di leghe metalliche depositate (Ni,Mo,Cu/Al). Si sono infine caratterizzati contatti tribologici nel settore del packaging, dove l’utilizzo di acciai inox austenitici è in alcuni casi obbligatorio. L’acciaio inossidabile AISI 316L è ampiamente utilizzato in applicazioni in cui siano richieste elevate resistenze alla corrosione, tuttavia la bassa resistenza all’usura, ne limitano l’impiego in campo tribologico. In tale ambito, è stata analizzata una problematica tribologica relativa a macchine automatiche per il dosaggio di polveri farmaceutiche. Sono state studiate soluzioni alternative che hanno previsto sia la completa sostituzione dei materiali della coppia tribologica, sia l’individuazione di tecniche di modificazione superficiale innovative quali la cementazione a bassa temperatura anche seguita dalla deposizione di un rivestimento di carbonio amorfo idrogenato a-C:H

Studio di modelli matematici per la verifica e la progettazione di impianti di digestione anaerobica su scala di laboratorio e industriale

Il lavoro di Dottorato si è incentrato con successo sullo studio della possibilità di applicare il modello ADM1 per la descrizione e verifica di impianti industriali di digestione anaerobica. Dai dati sperimentali il modello e l'implementazione in software di analisi numerica si sono rivelati strumenti efficaci. Il software sviluppato è stato utilizzato come strumento di progettazione di impianti alimentati con biomasse innovative, analizzate con metodiche biochimiche (BMP) in scala di laboratorio. Lo studio è stato corredato con lo studio di fattibilità di un impianto reale con verifica di ottimo economico.

Confronto fra periodizzazione Tradizionale e a Blocchi per l’allenamento della forza in atleti maschi e partecipanti di genere femminile.

La prima parte dello studio riguarda la descrizione dell’origine e delle caratteristiche che differenziano la periodizzazione tradizionale e quella a blocchi per l’allenamento della forza. L’obiettivo della seconda parte del lavoro è stato quello di confrontare gli adattamento ormonali e prestativi ad un programma di allenamento della forza periodizzato secondo il modello tradizionale o secondo quello a blocchi in un campione di atleti di forza. Venticinque atleti maschi sono stati assegnati con procedura randomizzata al gruppo con programmazione tradizionale (TP) o a quello a blocchi (BP). Prelievi di saliva sono stati effettuati prima e dopo 6 diverse sedute di allenamento durante il programma al fine di rilevare i livelli di testosterone (T) e cortisolo (C). Le valutazioni dei parametri antropometrici e prestativi sono state effettuate prima e dopo le 15 settimane di allenamento previste. In nessuno dei due gruppi vi sono state variazioni significative nei livelli ormonali. I risultati indicano che il gruppo BP ha ottenuto incrementi superiori a quello TP riguardo alla forza massima (p = 0,040) ed alla potenza (p = 0,035) espressa alla panca piana. Nella terza parte dello studio, la periodizzazione tradizionale e quella a blocchi sono state confrontate riguardo agli effetti sulla forza massima e sull’ipertrofia in donne allenate di livello amatoriale. Diciassette donne hanno partecipato all’esperimento allenandosi 3 volte a settimana per 10 settimane. I risultati dimostrano che entrambe le periodizzazioni hanno portato a miglioramenti significativi di forza e potenza; il gruppo TP ha tuttavia ottenuto incrementi superiori di forza massima (p = 0,039) e ipertrofia degli arti inferiori (p = 0,004). La periodizzazione tradizionale quindi si è dimostrata più efficace per aumentare la forza massima e la sezione muscolare della coscia in partecipanti di genere femminile. I risultati contrastanti nei due generi potrebbero essere legati a rapporti diversi fra processi anabolici e catabolici.

Waste Heat Recovery Systems: Numerical and Experimental Analysis of organic Rankine Cycle Solutions

This thesis aims to present the ORC technology, its advantages and related problems. In particular, it provides an analysis of ORC waste heat recovery system in different and innovative scenarios, focusing on cases from the biggest to the lowest scale. Both industrial and residential ORC applications are considered. In both applications, the installation of a subcritical and recuperated ORC system is examined. Moreover, heat recovery is considered in absence of an intermediate heat transfer circuit. This solution allow to improve the recovery efficiency, but requiring safety precautions. Possible integrations of ORC systems with renewable sources are also presented and investigated to improve the non-programmable source exploitation. In particular, the offshore oil and gas sector has been selected as a promising industrial large-scale ORC application. From the design of ORC systems coupled with Gas Turbines (GTs) as topper systems, the dynamic behavior of the GT+ORC innovative combined cycles has been analyzed by developing a dynamic model of all the considered components. The dynamic behavior is caused by integration with a wind farm. The electric and thermal aspects have been examined to identify the advantages related to the waste heat recovery system installation. Moreover, an experimental test rig has been realized to test the performance of a micro-scale ORC prototype. The prototype recovers heat from a low temperature water stream, available for instance in industrial or residential waste heat. In the test bench, various sensors have been installed, an acquisitions system developed in Labview environment to completely analyze the ORC behavior. Data collected in real time and corresponding to the system dynamic behavior have been used to evaluate the system performance based on selected indexes. Moreover, various operational steady-state conditions are identified and operation maps are realized for a completely characterization of the system and to detect the optimal operating conditions.

Sviluppo di un framework per l'automazione dei test al banco e la prototipazione di algoritmi di controllo di motori a combustione interna

Negli ultimi anni, i limiti sempre più stringenti sulle emissioni inquinanti dei gas di scarico, hanno portato ad un notevole aumento della complessità dei motori a combustione interna. Questa complicazione determina un aumento esponenziale del numero di test da effettuare nella sala prova. I metodi tipici di gestione dei test non possono più essere utilizzati, ma è essenziale creare un sistema che ottimizzi le prove. Per ridurre drasticamente il tempo di esecuzione, è necessario implementare un'architettura in grado di facilitare lo scambio di dati tra i sistemi presenti nella sala prova, e, in aggiunta, definire le strategie di automazione dei test. L'approccio a taluni metodi si presenta ancora complicato in molti gruppi di sviluppo di strategie di controllo motore, anche se, una volta sviluppati, portano e a grandi benefici durante la fase di test. Il lavoro illustra i metodi implementati per la gestione di queste strategie. Prima si descrive l'approccio utilizzato nella calibrazione di anticipo di accensione per mantenere livelli accettabili di detonazione durante il processo di calibrazione. Successivamente è mostrato il sistema di automazione dei test che consente il pieno controllo del punto di funzionamento del motore, la gestione dell'acquisizione e la verifica della stabilità delle condizioni ottenute. L'ultima parte mostra sistemi di prototipazione rapida per la gestione di componenti innovatici del motore.

Development and experimental validation of a knock induced damage model and real-time implementation of model-based strategies to control knock intensity in boosted gasoline engines

This PhD thesis reports the main activities carried out during the 3 years long “Mechanics and advanced engineering sciences” course, at the Department of Industrial Engineering of the University of Bologna. The research project title is “Development and analysis of high efficiency combustion systems for internal combustion engines” and the main topic is knock, one of the main challenges for boosted gasoline engines. Through experimental campaigns, modelling activity and test bench validation, 4 different aspects have been addressed to tackle the issue. The main path goes towards the definition and calibration of a knock-induced damage model, to be implemented in the on-board control strategy, but also usable for the engine calibration and potentially during the engine design. Ionization current signal capabilities have been investigated to fully replace the pressure sensor, to develop a robust on-board close-loop combustion control strategy, both in knock-free and knock-limited conditions. Water injection is a powerful solution to mitigate knock intensity and exhaust temperature, improving fuel consumption; its capabilities have been modelled and validated at the test bench. Finally, an empiric model is proposed to predict the engine knock response, depending on several operating condition and control parameters, including injected water quantity.

Innovative Al Alloys for High Performance Automotive Pistons: Enhancement of Specific Strength at High Temperature and Resistance to Knock Damage

The increasingly strict regulations on greenhouse gas emissions make the fuel economy a pressing factor for automotive manufacturers. Lightweighting and engine downsizing are two strategies pursued to achieve the target. In this context, materials play a key role since these limit the engine efficiency and components weight, due to their acceptable thermo-mechanical loads. Piston is one of the most stressed engine components and it is traditionally made of Al alloys, whose weakness is to maintain adequate mechanical properties at high temperature due to overaging and softening. The enhancement in strength-to-weight ratio at high temperature of Al alloys had been investigated through two approaches: increase of strength at high temperature or reduction of the alloy density. Several conventional and high performance Al-Si and Al-Cu alloys have been characterized from a microstructural and mechanical point of view, investigating the effects of chemical composition, addition of transition elements and heat treatment optimization, in the specific temperature range for pistons operations. Among the Al-Cu alloys, the research outlines the potentialities of two innovative Al-Cu-Li(-Ag) alloys, typically adopted for structural aerospace components. Moreover, due to the increased probability of abnormal combustions in high performance spark-ignition engines, the second part of the dissertation deals with the study of knocking damages on Al pistons. Thanks to the cooperation with Ferrari S.p.A. and Fluid Machinery Research Group - Unibo, several bench tests have been carried out under controlled knocking conditions. Knocking damage mechanisms were investigated through failure analyses techniques, starting from visual analysis up to detailed SEM investigations. These activities allowed to relate piston knocking damage to engine parameters, with the final aim to develop an on-board knocking controller able to increase engine efficiency, without compromising engine functionality. Finally, attempts have been made to quantify the knock-induced damages, to provide a numerical relation with engine working conditions.

Design, production and testing of innovative key components of HEV/BEV powertrains

Through modelling activity, experimental campaigns, test bench and on-field validation, a complete powertrain for a BEV has been designed, assembled and used in a motorsport competition. The activity can be split in three main subjects, representing the three key components of an BEV vehicle. First of all a model of the entire powertrain has been developed in order to understand how the various design choices will influence the race lap-time. The data obtained was then used to design, build and test a first battery pack. After bench tests and track tests, it was understood that by using all the cell charac-teristics, without breaking the rules limitations, higher energy and power densities could have been achieved. An updated battery pack was then designed, produced and raced with at Motostudent 2018 re-sulting in a third place at debut. The second topic of this PhD was the design of novel inverter topologies. Three inverters have been de-signed, two of them using Gallium Nitride devices, a promising semiconductor technology that can achieve high switching speeds while maintaining low switching losses. High switching frequency is crucial to reduce the DC-Bus capacitor and then increase the power density of 3 phase inverters. The third in-verter uses classic Silicon devices but employs a ZVS (Zero Voltage Switching) topology. Despite the in-creased complexity of both the hardware and the control software, it can offer reduced switching losses by using conventional and established silicon mosfet technology. Finally, the mechanical parts of a three phase permanent magnet motor have been designed with the aim to employ it in UniBo Motorsport’s 2020 Formula Student car.

Employment of Real-Time/FPGA Architectures for Test and Control of Automotive Engines

Nowadays the production of increasingly complex and electrified vehicles requires the implementation of new control and monitoring systems. This reason, together with the tendency of moving rapidly from the test bench to the vehicle, leads to a landscape that requires the development of embedded hardware and software to face the application effectively and efficiently. The development of application-based software on real-time/FPGA hardware could be a good answer for these challenges: FPGA grants parallel low-level and high-speed calculation/timing, while the Real-Time processor can handle high-level calculation layers, logging and communication functions with determinism. Thanks to the software flexibility and small dimensions, these architectures can find a perfect collocation as engine RCP (Rapid Control Prototyping) units and as smart data logger/analyser, both for test bench and on vehicle application. Efforts have been done for building a base architecture with common functionalities capable of easily hosting application-specific control code. Several case studies originating in this scenario will be shown; dedicated solutions for protype applications have been developed exploiting a real-time/FPGA architecture as ECU (Engine Control Unit) and custom RCP functionalities, such as water injection and testing hydraulic brake control.

Perfusione ipotermica ossigenata nel trapianto di fegato da donatore a criteri estesi – studio randomizzato

I fegati provenienti dai donatori a criteri estesi sono associati a un rischio elevato di dysfunction dopo trapianto. La HOPE potrebbe ridurre l’incidenza di tale complicanza, benché i dati emersi da studi prospettici siano carenti. In questo studio monocentrico randomizzato i pazienti da sottoporre a trapianto di fegato con graft proveniente da donatore marginale sono stati randomizzati a ricevere un fegato dopo HOPE o a riceverne uno conservato in statica ipotermica (gruppo SCS). L’endpoint primario era la valutazione dell’incidenza dell’early allograft dysfunction. Gli endpoint secondari includevano la valutazione della sopravvivenza del ricevente e del graft, così come le complicanze post-trapianto. I pazienti del gruppo HOPE avevano un tasso significativamente più basso di EAD. L’analisi di sopravvivenza confermava che quei pazienti avevano una sopravvivenza del graft superiore, con inferiori tassi di re-ricovero e di complicanze post-operatorie, in particolare di natura cardio-vascolare.

Modelling, control and testing of internal combustion engines to minimize consumption and pollutant emissions

The objective of the PhD thesis was to research technologies and strategies to reduce fuel consumption and pollutants emission produced by internal combustion engines. In order to meet this objective my activity was focused on the research of advanced controls based on cylinder pressure feedback. These types of control strategies were studied because they present promising results in terms of engine efficiency enhancement. In the PhD dissertation two study cases are presented. The first case is relative to a control strategy to be used at the test bench for the optimisation of the spark advance calibration of motorcycle Engine. The second case is relative to a control strategy to be used directly on board of mining engines with the objective or reducing the engine consumption and correct ageing effects. In both cases the strategies proved to be effective but their implementation required the use of specific toolchains for the measure of the cylinder pressure feedback that for a matter of cost makes feasible the strategy use only for applications: • At test bench • In small-markets like large off-road engines The major bottleneck that prevents the implementation of these strategies on mass production is the cost of cylinder pressure sensor. In order to tackle this issue, during the PhD research, the development of a low-cost sensor for the estimation of cylinder pressure was studied. The prototype was a piezo-electric washer designed to replace the standard spark-plug washer or high-pressure fuel injectors gasket. From the data analysis emerged the possibility to use the piezo-electric prototype signal to evaluate with accuracy several combustion metrics compatible for the implementation of advanced control strategies in on-board applications. Overall, the research shows that advanced combustion controls are feasible and beneficial, not only at the test bench or on stationary engines, but also in mass-produced engines.

Identificazione di un nuovo meccanismo microRNA-dipendente di resistenza all'inibizione della via di segnale PI3K/AKT nel carcinoma della prostata

Benché le alterazioni della via PI3K/AKT siano molto sudiate a causa del loro ruolo nella tumorigenesi, e rappresentino pertanto un importante bersaglio terapeutico, i risultati di numerosi studi clinici con inibitori di PI3K o AKT sono finora deludenti, in parte a causa dell’insorgenza di resistenza provocata dall'interruzione dei circuiti di feedback negativo. In questo studio, abbiamo scoperto che l’inattivazione farmacologica di AKT in cellule di carcinoma prostatico PC3 porta alla down-regolazione di un microRNA con funzione di oncosoppressore, il miR-145-5p, e ad un drammatico aumento di espressione di uno dei suoi geni target, cioè N/KRas. E’ interessante sottolineare che questo microRNA è considerato un marker di progressione metastatica nel carcinoma prostatico, il cui livello di espressione aiuta a discriminare tra pazienti con iperplasia prostatica benigna e cancro alla prostata. Inoltre, la bassa espressione di miR-145 aumenta il rischio di progressione della malattia da localizzata a metastatica. La conferma che l’aumento di Ras, osservato sia in termini di mRNA che di proteina, è dipendente dalla caduta del miR-145-5p, è stata poi ottenuta tramite un modello di PC3 ingegnerizzate per ottenere il silenziamento inducibile del miR-145-5p. Tramite un array di fosfoproteine siamo poi stati in grado di verificare che l’aumento di Ras provoca la riattivazione della cascata di PI3K/AKT e di ERK. Dal punto di vista meccanicistico, quindi, lo studio ha portato all’identificazione di un nuovo meccanismo di resistenza adattativa, in cui l’inattivazione di AKT provoca una caduta del miR-145-5p che, a sua volta, aumenta l’espressione di Ras e riattiva il signaling di PI3K, rendendo inefficace il trattamento farmacologico. Questi risultati sono particolarmente rilevanti alla luce di recenti studi (NCT04493853; NCT03072238; NCT02525068) e di trial clinici in corso (NCT04737109; NCT03673787), basati sulla somministrazione combinata di inibitori della sintesi degli androgeni con gli inibitori di AKT capitasertib o ipatasertib.

Deep space orbit determination and guidance of the LICIACube microsatellite mission

Recently, the JPL's MarCO mission demonstrated that these probes are also mature enough to be employed in the deep space, even though with the limitations related to the employed commercial components. Currently, other deep space CubeSats are planned either as stand-alone missions or as companions of a traditional large probe. Therefore, developing a dedicated navigation suite is crucial to reaching the mission's goals, considering the limitations of the onboard components compared to typical deep space missions. In this framework, the LICIACube mission represents an ideal candidate test-bench, as it performs a flyby of the Didymos asteroid system subject to a strong position, epochs, and pointing requirements. This mission will also allow us to infer the capabilities of such microsatellites and highlight their limitations compared with the benefits of a lighter design and tailoring efforts. In this work, the OD and guidance methods and tools adopted for classical deep space missions have been tailored for the CubeSat applications and validated through extensive analyses. In addition, navigation procedures and interfaces have been designed in view of the operations foreseen in late 2022. The pre-launch covariance analysis has been performed to assess the mission's feasibility for the nominal trajectory and its associated uncertainties, based on conservative assumptions on the main parameters. Extensive sensitivity analyses have been carried out to understand the main mission parameters affecting the performance and to demonstrate the robustness of the designed trajectory and operation schedule in fulfilling the mission requirements. The developed system was also stressed by tuning the models to access different reconstruction methods for the maneuvers. The analysis demonstrated the feasibility of the LICIACube mission navigation in compliance with the mission requirements, compatible with the limited resources available, both in space and on the ground.

Design and testing of innovative, artificial intelligence-based techniques to model and control the combustion process and to reduce the Co2 emissions in modern, high-performance, gasoline direct injection engines

This work deals with the development of calibration procedures and control systems to improve the performance and efficiency of modern spark ignition turbocharged engines. The algorithms developed are used to optimize and manage the spark advance and the air-to-fuel ratio to control the knock and the exhaust gas temperature at the turbine inlet. The described work falls within the activity that the research group started in the previous years with the industrial partner Ferrari S.p.a. . The first chapter deals with the development of a control-oriented engine simulator based on a neural network approach, with which the main combustion indexes can be simulated. The second chapter deals with the development of a procedure to calibrate offline the spark advance and the air-to-fuel ratio to run the engine under knock-limited conditions and with the maximum admissible exhaust gas temperature at the turbine inlet. This procedure is then converted into a model-based control system and validated with a Software in the Loop approach using the engine simulator developed in the first chapter. Finally, it is implemented in a rapid control prototyping hardware to manage the combustion in steady-state and transient operating conditions at the test bench. The third chapter deals with the study of an innovative and cheap sensor for the in-cylinder pressure measurement, which is a piezoelectric washer that can be installed between the spark plug and the engine head. The signal generated by this kind of sensor is studied, developing a specific algorithm to adjust the value of the knock index in real-time. Finally, with the engine simulator developed in the first chapter, it is demonstrated that the innovative sensor can be coupled with the control system described in the second chapter and that the performance obtained could be the same reachable with the standard in-cylinder pressure sensors.