Studio e sviluppo di un motore a 2 tempi diesel veloce di nuova concezione per applicazioni automobilistiche

The Department of Mechanical and Civil Engineering (DIMeC) of the University of Modena and Reggio Emilia is developing a new type of small capacity HSDI 2-Stroke Diesel engine (called HSD2), featuring a specifically designed combustion system, aimed to reduce weight, size and manufacturing costs, and improving pollutant emissions at partial load. The present work is focused on the analysis of the combustion and the scavenging process, investigated by means of a version of the KIVA-3V code customized by the University of Chalmers and modified by DIMeC. The customization of the KIVA-3V code includes a detailed combustion chemistry approach, coupled with a comprehensive oxidation mechanism for diesel oil surrogate and the modeling of turbulence/chemistry interaction through the PaSR (Partially Stirred Reactor) model. A four stroke automobile Diesel engine featuring a very close bore size is taken as a reference, for both the numerical models calibration and for a comparison with the 2-Stroke engine. Analysis is carried out trough a comparison between HSD2 and FIAT 1300 MultiJet in several operating conditions, at full and partial load. Such a comparison clearly demonstrates the effectiveness of the two stroke concept in terms of emissions reduction and high power density. However, HSD2 is still a virtual engine, and experimental results are needed to assume the reliability of numerical results.

Sulla ricerca del minimo dei consumi per vetture sportive

La ricerca oggetto di questa tesi, come si evince dal titolo stesso, è volta alla riduzione dei consumi per vetture a forte carattere sportivo ed elevate prestazioni specifiche. In particolare, tutte le attività descritte fanno riferimento ad un ben definito modello di vettura, ovvero la Maserati Quattroporte. Lo scenario all’interno del quale questo lavoro si inquadra, è quello di una forte spinta alla riduzione dei cosiddetti gas serra, ossia dell’anidride carbonica, in linea con quelle che sono le disposizioni dettate dal protocollo di Kyoto. La necessità di ridurre l’immissione in atmosfera di CO2 sta condizionando tutti i settori della società: dal riscaldamento degli edifici privati a quello degli stabilimenti industriali, dalla generazione di energia ai processi produttivi in senso lato. Nell’ambito di questo panorama, chiaramente, sono chiamati ad uno sforzo considerevole i costruttori di automobili, alle quali è imputata una percentuale considerevole dell’anidride carbonica prodotta ogni giorno e riversata nell’atmosfera. Al delicato problema inquinamento ne va aggiunto uno forse ancor più contingente e diretto, legato a ragioni di carattere economico. I combustibili fossili, come tutti sanno, sono una fonte di energia non rinnovabile, la cui disponibilità è legata a giacimenti situati in opportune zone del pianeta e non inesauribili. Per di più, la situazione socio politica che il medio oriente sta affrontando, unita alla crescente domanda da parte di quei paesi in cui il processo di industrializzazione è partito da poco a ritmi vertiginosi, hanno letteralmente fatto lievitare il prezzo del petrolio. A causa di ciò, avere una vettura efficiente in senso lato e, quindi, a ridotti consumi, è a tutti gli effetti un contenuto di prodotto apprezzato dal punto di vista del marketing, anche per i segmenti vettura più alti. Nell’ambito di questa ricerca il problema dei consumi è stato affrontato come una conseguenza del comportamento globale della vettura in termini di efficienza, valutando il miglior compromesso fra le diverse aree funzionali costituenti il veicolo. Una parte consistente del lavoro è stata dedicata alla messa a punto di un modello di calcolo, attraverso il quale eseguire una serie di analisi di sensibilità sull’influenza dei diversi parametri vettura sul consumo complessivo di carburante. Sulla base di tali indicazioni, è stata proposta una modifica dei rapporti del cambio elettro-attuato con lo scopo di ottimizzare il compromesso tra consumi e prestazioni, senza inficiare considerevolmente queste ultime. La soluzione proposta è stata effettivamente realizzata e provata su vettura, dando la possibilità di verificare i risultati ed operare un’approfondita attività di correlazione del modello di calcolo per i consumi. Il beneficio ottenuto in termini di autonomia è stato decisamente significativo con riferimento sia ai cicli di omologazione europei, che a quelli statunitensi. Sono state inoltre analizzate le ripercussioni dal punto di vista delle prestazioni ed anche in questo caso i numerosi dati rilevati hanno permesso di migliorare il livello di correlazione del modello di simulazione per le prestazioni. La vettura con la nuova rapportatura proposta è stata poi confrontata con un prototipo di Maserati Quattroporte avente cambio automatico e convertitore di coppia. Questa ulteriore attività ha permesso di valutare il differente comportamento tra le due soluzioni, sia in termini di consumo istantaneo, che di consumo complessivo rilevato durante le principali missioni su banco a rulli previste dalle normative. L’ultima sezione del lavoro è stata dedicata alla valutazione dell’efficienza energetica del sistema vettura, intesa come resistenza all’avanzamento incontrata durante il moto ad una determinata velocità. Sono state indagate sperimentalmente le curve di “coast down” della Quattroporte e di alcune concorrenti e sono stati proposti degli interventi volti alla riduzione del coefficiente di penetrazione aerodinamica, pur con il vincolo di non alterare lo stile vettura.

Creazione e sviluppo di un sistema di controllo in tempo reale per un sistema fuel cell

The control of a proton exchange membrane fuel cell system (PEM FC) for domestic heat and power supply requires extensive control measures to handle the complicated process. Highly dynamic and non linear behavior, increase drastically the difficulties to find the optimal design and control strategies. The objective is to design, implement and commission a controller for the entire fuel cell system. The fuel cell process and the control system are engineered simultaneously; therefore there is no access to the process hardware during the control system development. Therefore the method of choice was a model based design approach, following the rapid control prototyping (RCP) methodology. The fuel cell system is simulated using a fuel cell library which allowed thermodynamic calculations. In the course of the development the process model is continuously adapted to the real system. The controller application is designed and developed in parallel and thereby tested and verified against the process model. Furthermore, after the commissioning of the real system, the process model can be also better identified and parameterized utilizing measurement data to perform optimization procedures. The process model and the controller application are implemented in Simulink using Mathworks` Real Time Workshop (RTW) and the xPC development suite for MiL (model-in-theloop) and HiL (hardware-in-the-loop) testing. It is possible to completely develop, verify and validate the controller application without depending on the real fuel cell system, which is not available for testing during the development process. The fuel cell system can be immediately taken into operation after connecting the controller to the process.

Modellizzazione numerica e caratterizzazione sperimentale di macchine e componenti oleodinamici

Nella prima parte di questa tesi di dottorato sono presentate le attività svolte, di carattere numerico, ai fini della modellizzazione di macchine volumetriche ad ingranaggi esterni. In particolare viene dapprima presentato un modello a parametri concentrati utilizzato per l’analisi dei fenomeni che coinvolgono l’area di ingranamento della macchina; un codice di calcolo associato al modello è stato sviluppato ed utilizzato per la determinazione dell’influenza delle condizioni di funzionamento e delle caratteristiche geometriche della macchina sulle sovra-pressioni e sull’eventuale instaurarsi della cavitazione nei volumi tra i denti che si trovano nell’area di ingranamento. In seguito vengono presentati i risultati ottenuti dall’analisi del bilanciamento assiale di diverse unità commerciali, evidenziando l’influenza delle caratteristiche geometriche delle fiancate di bilanciamento; a questo proposito, viene presentato anche un semplice modello a parametri concentrati per valutare il rendimento volumetrico della macchina ad ingranaggi esterni, con l’intenzione di usare tale parametro quale indice qualitativo della bontà del bilanciamento assiale. Infine, viene presentato un modello completo della macchina ad ingranaggi esterni, realizzato in un software commerciale a parametri concentrati, che permette di analizzare nel dettaglio il funzionamento della macchina e di studiare anche l’interazione della stessa con il circuito idraulico in cui è inserita. Nella seconda parte della tesi si presentano le attività legate alla messa in funzione di due banchi prova idraulici per la caratterizzazione sperimentale di macchine volumetriche e componenti di regolazione, con particolare attenzione dedicata alla messa a punto del sistema di acquisizione e gestione dei dati sperimentali; si presentano infine i risultati di alcune prove eseguite su componenti di regolazione e macchine volumetriche.

Realizzazione di riporti funzionalizzanti su superfici ceramiche per la produzione di energia elettrica mediante effetto fotovoltaico

This research, carried out during the PhD in Materials Engineering, deals with the creation of layers, with different functionality, deposited on a ceramic substrate, to obtain photovoltaic cells for electricity production. The research activities are included in the project PRRIITT, Measure 4 (Development of Networks), Action A (Research and Technology Transfer Laboratories), Thematic reference 3 (Advanced materials applications development), co-financed by the Emilia Romagna Region, for the creation of CECERBENCH laboratory, which aims to develop "Tiles with a functionalised surface”. The innovation lies in the study of materials and in the development of technologies to achieve a "photovoltaic surface", directly in the tiles production process. The goal is to preserve the technical characteristics, and to make available new surfaces, exploiting renewable energy sources. The realization of Building Integrated PhotoVoltaic (BIPV) is nowadays a more and more spread tendency. The aims of the research are essentially linked to the need to diversify the actual ceramic tile production (which is strongly present in the Emilia Romagna Region ), and to provide a higher added value to the tiles. Solar energy production is the primary objective of the functionalization, and has a relevant ecological impact, taking into account the overwhelming global energy demand. The specific activities of the PhD were carried out according to the achievement of scientific and technological objectives of CECERBENCH laboratory, and involved the collaboration in design solutions, to obtain the cells directly on the tiles surface. The author has managed personally a part of the research project. Layers with different features were made: - Electrically conductive layers, directly on the ceramic tiles surface; - Layers to obtain the photovoltaic functionality; - Electrically insulating, protective layers (double function). For each layer, the most suitable materials have been selected. Among the technical application, the screen printing was used. This technique, widely used in ceramics, has many application areas, including the electronics and photovoltaic industries. It is an inexpensive technique, easy to use in industrial production lines. The screen printing technique was therefore studied in depth by theoretical considerations, and through the use of rheological measurements.

Caratterizzazione di membrane da nanofiltrazione

Nanofiltration (NF) is a pressure-driven membrane process, intermediate between reverse osmosis and ultrafiltration. Commercially available polymeric membranes have been used in a wide range of applications, such as drinking, process industry and waste water treatment. For all the applications requiring high stability and harsh washing procedures inorganic membranes are preferred due to their high chemical inertia. Typically, γ – Al2O3 as well as TiO2 and ZrO2 selective layers are used; the latter show higher chemical stability in a wide range of pH and temperatures. In this work the experimental characterization of two different type of membrane has been performed in order to investigate permeation properties, separation performance and efficiency with aqueous solutions containing strong inorganic electrolytes. The influence of salt concentration and feed pH as well as the role of concentration polarization and electrolyte type on the membrane behavior are investigated. Experimentation was performed testing a multi–layer structured NF membrane in α-Al2O3, TiO2 and ZrO2, and a polymeric membrane, in polyamide supported on polysulfone, with binary aqueous solutions containing NaCl, Na2SO4 or CaCl2; the effect of salt composition and pH in the feed side was studied both on flux and salt rejection. All the NF experimental data available for the two membranes were used to evaluate the volumetric membrane charge (X) corresponding to each operative conditions investigated, through the Donnan Steric Pore Model and Dielectric Exclusion (DSPM&DE). The results obtained allow to understand which are the main phenomena at the basis of the different behaviors observed.

Caratterizzazione di membrane inorganiche per la separazione di idrogeno da gas di reforming

The work of this thesis has been focused on the characterisation of inorganic membranes for the hydrogen purification from steam reforming gas. Composite membranes based on porous inorganic supports coated with palladium silver alloys and ceramic membranes have been analysed. A brief resume of theoretical laws governing transport of gases through dense and porous inorganic membranes and an overview on different methods to prepare inorganic membranes has been also reported. A description of the experimental apparatus used for the characterisation of gas permeability properties has been reported. The device used permits to evaluate transport properties in a wide range of temperatures (till 500°C) and pressures (till 15 bar). Data obtained from experimental campaigns reveal a good agreement with Sievert law for hydrogen transport through dense palladium based membranes while different transport mechanisms, such as Knudsen diffusion and Hagen-Poiseuille flow, have been observed for porous membranes and for palladium silver alloy ones with pinholes in the metal layer. Mixtures permeation experiments reveal also concentration polarisation phenomena and hydrogen permeability reduction due to carbon monoxide adsorption on metal surface.

Development of quantitative methods for sustainability assessment in process industry

The increasing aversion to technological risks of the society requires the development of inherently safer and environmentally friendlier processes, besides assuring the economic competitiveness of the industrial activities. The different forms of impact (e.g. environmental, economic and societal) are frequently characterized by conflicting reduction strategies and must be holistically taken into account in order to identify the optimal solutions in process design. Though the literature reports an extensive discussion of strategies and specific principles, quantitative assessment tools are required to identify the marginal improvements in alternative design options, to allow the trade-off among contradictory aspects and to prevent the “risk shift”. In the present work a set of integrated quantitative tools for design assessment (i.e. design support system) was developed. The tools were specifically dedicated to the implementation of sustainability and inherent safety in process and plant design activities, with respect to chemical and industrial processes in which substances dangerous for humans and environment are used or stored. The tools were mainly devoted to the application in the stages of “conceptual” and “basic design”, when the project is still open to changes (due to the large number of degrees of freedom) which may comprise of strategies to improve sustainability and inherent safety. The set of developed tools includes different phases of the design activities, all through the lifecycle of a project (inventories, process flow diagrams, preliminary plant lay-out plans). The development of such tools gives a substantial contribution to fill the present gap in the availability of sound supports for implementing safety and sustainability in early phases of process design. The proposed decision support system was based on the development of a set of leading key performance indicators (KPIs), which ensure the assessment of economic, societal and environmental impacts of a process (i.e. sustainability profile). The KPIs were based on impact models (also complex), but are easy and swift in the practical application. Their full evaluation is possible also starting from the limited data available during early process design. Innovative reference criteria were developed to compare and aggregate the KPIs on the basis of the actual sitespecific impact burden and the sustainability policy. Particular attention was devoted to the development of reliable criteria and tools for the assessment of inherent safety in different stages of the project lifecycle. The assessment follows an innovative approach in the analysis of inherent safety, based on both the calculation of the expected consequences of potential accidents and the evaluation of the hazards related to equipment. The methodology overrides several problems present in the previous methods proposed for quantitative inherent safety assessment (use of arbitrary indexes, subjective judgement, build-in assumptions, etc.). A specific procedure was defined for the assessment of the hazards related to the formations of undesired substances in chemical systems undergoing “out of control” conditions. In the assessment of layout plans, “ad hoc” tools were developed to account for the hazard of domino escalations and the safety economics. The effectiveness and value of the tools were demonstrated by the application to a large number of case studies concerning different kinds of design activities (choice of materials, design of the process, of the plant, of the layout) and different types of processes/plants (chemical industry, storage facilities, waste disposal). An experimental survey (analysis of the thermal stability of isomers of nitrobenzaldehyde) provided the input data necessary to demonstrate the method for inherent safety assessment of materials.

Validazione in torrenti appenninici monitorati di un modello fisicamente basato per la stima del deflusso solido sospeso

Il modello afflussi-deflussi e di erosione Kineros2, fisicamente basato, distribuito e a scala di evento, è stato applicato a due bacini idrografici montani della provincia di Bologna (Italia) al fine di testare e valutare il suo funzionamento in ambiente appenninico. Dopo la parametrizzazione dei due bacini, Kineros2 è stato calibrato e validato utilizzando dati sperimentali di portata e di concentrazione dei solidi sospesi, collezionati alla chiusura dei bacini grazie alla presenza di due stazioni di monitoraggio idrotorbidimetrico. La modellazione ha consentito di valutare la capacità del modello di riprodurre correttamente le dinamiche idrologiche osservate, nonchè di trarre conclusioni sulle sue potenzialità e limitazioni.

Argumentation and artifacts for intelligent multi-agent systems

Reasoning under uncertainty is a human capacity that in software system is necessary and often hidden. Argumentation theory and logic make explicit non-monotonic information in order to enable automatic forms of reasoning under uncertainty. In human organization Distributed Cognition and Activity Theory explain how artifacts are fundamental in all cognitive process. Then, in this thesis we search to understand the use of cognitive artifacts in an new argumentation framework for an agent-based artificial society.