Sviluppo di metodologie per l'analisi in tempo reale delle prestazioni di un motore automobilistico

Durante il periodo di dottorato, l’attività di ricerca di cui mi sono occupato è stata finalizzata allo sviluppo di metodologie per la diagnostica e l’analisi delle prestazioni di un motore automobilistico. Un primo filone di ricerca è relativo allo sviluppo di strategie per l’identificazione delle mancate combustioni (misfires) in un motore a benzina. La sperimentazione si è svolta nella sala prove della Facoltà di Ingegneria dell’Università di Bologna, nei quali è presente un motore Fiat 1.200 Fire, accoppiato ad un freno a correnti parassite, e comandato da una centralina virtuale, creata mediante un modello Simulink, ed interfacciata al motore tramite una scheda di input/output dSpace. Per quanto riguarda la campagna sperimentale, sono stati realizzati delle prove al banco in diverse condizioni di funzionamento (sia stazionarie, che transitorie), durante le quali sono stati indotti dei misfires, sia singoli che multipli. Durante tali test sono stati registrati i segnali provenienti sia dalla ruota fonica usata per il controllo motore (che, nel caso in esame, era affacciata al volano), sia da quella collegata al freno a correnti parassite. Partendo da tali segnali, ed utilizzando un modello torsionale del sistema motoregiunto-freno, è possibile ottenere una stima sia della coppia motrice erogata dal motore, sia della coppia resistente dissipata dal freno. La prontezza di risposta di tali osservatori è tale da garantirci la possibilità di effettuare una diagnosi misfire. In particolare, si è visto che l’indice meglio correlato ala mancata combustione risultaessere la differenza fra la coppia motrice e la coppia resistente; tale indice risulta inoltre essere quello più semplice da calibrare sperimentalmente, in quanto non dipende dalle caratteristiche del giunto, ma solamente dalle inerzie del sistema. Una seconda attività della quale mi sono occupato è relativa alla stima della coppia indicata in un motore diesel automobilistico. A tale scopo, è stata realizzata una campagna sperimentale presso i laboratori della Magneti Marelli Powertrain (Bologna), nella quale sono state effettuati test in molteplici punti motori, sia in condizioni di funzionamento “nominale”, sia variando artificiosamente alcuni dei fattori di controllo (quali Start of Injection, pressione nel rail e, nei punti ove è stato possibile, tasso di EGR e pressione di sovralimentazione), sia effettuando degli sbilanciamenti di combustibile fra un cilindro e l’altro. Utilizzando il solo segnale proveniente da una ruota fonica posta sul lato motore, e sfruttando un modello torsionale simile a quello utilizzato nella campagna di prove relativa alla diagnosi del misfire, è possibile correlare la componente armonica con frequenza di combustione della velocità all’armonica di pari ordine della coppia indicata; una volta stimata tale componente in frequenza, mediante un’analisi di tipo statistico, è possibile eseguire una stima della coppia indicata erogata dal motore. A completamento dell’algoritmo, sfruttando l’analisi delle altre componenti armoniche presenti nel segnale, è possibile avere una stima dello sbilanciamento di coppia fra i vari cilindri. Per la verifica dei risultati ottenuti, sono stati acquisiti i segnali di pressione provenienti da tutti e quattro i cilindri del motore in esame.

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.

Biomass Gasification - Process analysis and dimensioning aspects for downdraft units and gas cleaning lines

In such territories where food production is mostly scattered in several small / medium size or even domestic farms, a lot of heterogeneous residues are produced yearly, since farmers usually carry out different activities in their properties. The amount and composition of farm residues, therefore, widely change during year, according to the single production process periodically achieved. Coupling high efficiency micro-cogeneration energy units with easy handling biomass conversion equipments, suitable to treat different materials, would provide many important advantages to the farmers and to the community as well, so that the increase in feedstock flexibility of gasification units is nowadays seen as a further paramount step towards their wide spreading in rural areas and as a real necessity for their utilization at small scale. Two main research topics were thought to be of main concern at this purpose, and they were therefore discussed in this work: the investigation of fuels properties impact on gasification process development and the technical feasibility of small scale gasification units integration with cogeneration systems. According to these two main aspects, the present work was thus divided in two main parts. The first one is focused on the biomass gasification process, that was investigated in its theoretical aspects and then analytically modelled in order to simulate thermo-chemical conversion of different biomass fuels, such as wood (park waste wood and softwood), wheat straw, sewage sludge and refuse derived fuels. The main idea is to correlate the results of reactor design procedures with the physical properties of biomasses and the corresponding working conditions of gasifiers (temperature profile, above all), in order to point out the main differences which prevent the use of the same conversion unit for different materials. At this scope, a gasification kinetic free model was initially developed in Excel sheets, considering different values of air to biomass ratio and the downdraft gasification technology as particular examined application. The differences in syngas production and working conditions (process temperatures, above all) among the considered fuels were tried to be connected to some biomass properties, such elementary composition, ash and water contents. The novelty of this analytical approach was the use of kinetic constants ratio in order to determine oxygen distribution among the different oxidation reactions (regarding volatile matter only) while equilibrium of water gas shift reaction was considered in gasification zone, by which the energy and mass balances involved in the process algorithm were linked together, as well. Moreover, the main advantage of this analytical tool is the easiness by which the input data corresponding to the particular biomass materials can be inserted into the model, so that a rapid evaluation on their own thermo-chemical conversion properties is possible to be obtained, mainly based on their chemical composition A good conformity of the model results with the other literature and experimental data was detected for almost all the considered materials (except for refuse derived fuels, because of their unfitting chemical composition with the model assumptions). Successively, a dimensioning procedure for open core downdraft gasifiers was set up, by the analysis on the fundamental thermo-physical and thermo-chemical mechanisms which are supposed to regulate the main solid conversion steps involved in the gasification process. Gasification units were schematically subdivided in four reaction zones, respectively corresponding to biomass heating, solids drying, pyrolysis and char gasification processes, and the time required for the full development of each of these steps was correlated to the kinetics rates (for pyrolysis and char gasification processes only) and to the heat and mass transfer phenomena from gas to solid phase. On the basis of this analysis and according to the kinetic free model results and biomass physical properties (particles size, above all) it was achieved that for all the considered materials char gasification step is kinetically limited and therefore temperature is the main working parameter controlling this step. Solids drying is mainly regulated by heat transfer from bulk gas to the inner layers of particles and the corresponding time especially depends on particle size. Biomass heating is almost totally achieved by the radiative heat transfer from the hot walls of reactor to the bed of material. For pyrolysis, instead, working temperature, particles size and the same nature of biomass (through its own pyrolysis heat) have all comparable weights on the process development, so that the corresponding time can be differently depending on one of these factors according to the particular fuel is gasified and the particular conditions are established inside the gasifier. The same analysis also led to the estimation of reaction zone volumes for each biomass fuel, so as a comparison among the dimensions of the differently fed gasification units was finally accomplished. Each biomass material showed a different volumes distribution, so that any dimensioned gasification unit does not seem to be suitable for more than one biomass species. Nevertheless, since reactors diameters were found out quite similar for all the examined materials, it could be envisaged to design a single units for all of them by adopting the largest diameter and by combining together the maximum heights of each reaction zone, as they were calculated for the different biomasses. A total height of gasifier as around 2400mm would be obtained in this case. Besides, by arranging air injecting nozzles at different levels along the reactor, gasification zone could be properly set up according to the particular material is in turn gasified. Finally, since gasification and pyrolysis times were found to considerably change according to even short temperature variations, it could be also envisaged to regulate air feeding rate for each gasified material (which process temperatures depend on), so as the available reactor volumes would be suitable for the complete development of solid conversion in each case, without even changing fluid dynamics behaviour of the unit as well as air/biomass ratio in noticeable measure. The second part of this work dealt with the gas cleaning systems to be adopted downstream the gasifiers in order to run high efficiency CHP units (i.e. internal engines and micro-turbines). Especially in the case multi–fuel gasifiers are assumed to be used, weightier gas cleaning lines need to be envisaged in order to reach the standard gas quality degree required to fuel cogeneration units. Indeed, as the more heterogeneous feed to the gasification unit, several contaminant species can simultaneously be present in the exit gas stream and, as a consequence, suitable gas cleaning systems have to be designed. In this work, an overall study on gas cleaning lines assessment is carried out. Differently from the other research efforts carried out in the same field, the main scope is to define general arrangements for gas cleaning lines suitable to remove several contaminants from the gas stream, independently on the feedstock material and the energy plant size The gas contaminant species taken into account in this analysis were: particulate, tars, sulphur (in H2S form), alkali metals, nitrogen (in NH3 form) and acid gases (in HCl form). For each of these species, alternative cleaning devices were designed according to three different plant sizes, respectively corresponding with 8Nm3/h, 125Nm3/h and 350Nm3/h gas flows. Their performances were examined on the basis of their optimal working conditions (efficiency, temperature and pressure drops, above all) and their own consumption of energy and materials. Successively, the designed units were combined together in different overall gas cleaning line arrangements, paths, by following some technical constraints which were mainly determined from the same performance analysis on the cleaning units and from the presumable synergic effects by contaminants on the right working of some of them (filters clogging, catalysts deactivation, etc.). One of the main issues to be stated in paths design accomplishment was the tars removal from the gas stream, preventing filters plugging and/or line pipes clogging At this scope, a catalytic tars cracking unit was envisaged as the only solution to be adopted, and, therefore, a catalytic material which is able to work at relatively low temperatures was chosen. Nevertheless, a rapid drop in tars cracking efficiency was also estimated for this same material, so that an high frequency of catalysts regeneration and a consequent relevant air consumption for this operation were calculated in all of the cases. Other difficulties had to be overcome in the abatement of alkali metals, which condense at temperatures lower than tars, but they also need to be removed in the first sections of gas cleaning line in order to avoid corrosion of materials. In this case a dry scrubber technology was envisaged, by using the same fine particles filter units and by choosing for them corrosion resistant materials, like ceramic ones. Besides these two solutions which seem to be unavoidable in gas cleaning line design, high temperature gas cleaning lines were not possible to be achieved for the two larger plant sizes, as well. Indeed, as the use of temperature control devices was precluded in the adopted design procedure, ammonia partial oxidation units (as the only considered methods for the abatement of ammonia at high temperature) were not suitable for the large scale units, because of the high increase of reactors temperature by the exothermic reactions involved in the process. In spite of these limitations, yet, overall arrangements for each considered plant size were finally designed, so that the possibility to clean the gas up to the required standard degree was technically demonstrated, even in the case several contaminants are simultaneously present in the gas stream. Moreover, all the possible paths defined for the different plant sizes were compared each others on the basis of some defined operational parameters, among which total pressure drops, total energy losses, number of units and secondary materials consumption. On the basis of this analysis, dry gas cleaning methods proved preferable to the ones including water scrubber technology in al of the cases, especially because of the high water consumption provided by water scrubber units in ammonia adsorption process. This result is yet connected to the possibility to use activated carbon units for ammonia removal and Nahcolite adsorber for chloride acid. The very high efficiency of this latter material is also remarkable. Finally, as an estimation of the overall energy loss pertaining the gas cleaning process, the total enthalpy losses estimated for the three plant sizes were compared with the respective gas streams energy contents, these latter obtained on the basis of low heating value of gas only. This overall study on gas cleaning systems is thus proposed as an analytical tool by which different gas cleaning line configurations can be evaluated, according to the particular practical application they are adopted for and the size of cogeneration unit they are connected to.

Studio del comportamento flesso-torsionale di un telaio in materiale composito per vettura sportiva

Lo studio svolto in merito alle tecniche di produzione di componenti strutturali in materiale composito ha permesso il raggiungimento di una precisa consapevolezza dello stato dell’arte del settore, in particolare in riferimento ai processi attualmente utilizzati per l’industrializzazione in media-grande serie. Con l’obiettivo di sintetizzare i principali vantaggi delle tecnologie suddette e permettere la realizzazione di forme più complesse, si è proceduto all’analisi di fattibilità, attraverso uno studio funzionale e una prima progettazione di una tecnologia di produzione per nastratura automatizzata di componenti strutturali in materiale composito. Si è voluto quindi dimostrare la flessibilità e la consistenza del processo disegnando un telaio nastrato in carbonio, intercambiabile al telaio FSAE 2009 in tubolare d’acciaio (stessi punti di attacco motore, punti di attacco telaietto posteriore, attacchi sospensioni anteriori) e che garantisca un sostanziale vantaggio in termini di peso, a pari rigidezza torsionale. La caratterizzazione di tale telaio è stata eseguita mediante l'utilizzo del calcolo strutturale, validato da prove sperimentali.

Produzione automatizzata per nastratura di componenti strutturali in materiale composito

Questa dissertazione tratterà l’argomento dello studio di metodi di progettazione e processi tecnologici innovativi per l’industrializzazione in medio-grande serie di componenti strutturali in materiale composito. L’interesse della ricerca verso questo ambito è suscitato dai notevoli vantaggi che l’utilizzo di materiali dall’alto rapporto prestazioni meccaniche/peso danno nella ricerca di elevate prestazioni in applicazioni sportive e diminuzione dei consumi ed emissioni inquinanti in mezzi di trasporto di grande serie. Lo studio di componenti in materiale composito è caratterizzato dalla peculiarità di non poter disgiungere la progettazione della geometria della parte da quella del materiale e del processo, ed in questo senso nella figura del progettista si vanno a riassumere sinergicamente competenze riguardanti i tre ambiti. Lo scopo di questo lavoro è la proposizione di una metodologia di progettazione e produzione di componenti strutturali che permetta l’utilizzazione ottimale della natura fibrosa del materiale composito sia dal punto di vista del trasferimento dei carichi tra diversi componenti, sia dal punto di vista del processo di laminazione che avviene per nastratura automatizzata. Lo studio è volto a mostrare in quali termini tale tecnologia sia potenzialmente in grado di superare i vincoli di forma ed i limiti di efficienza meccanica delle giunzioni tra le parti e di garantire maggiore produttività e costi inferiori rispetti ai diversi metodi di produzione che rappresentano oggi lo stato dell’arte dell’industrializzazione in medio-grande serie. Particolare attenzione verrà posta sull’utilizzo della tecnologia oggetto di studio per la produzione di telai automobilistici.

Prestazioni energetico-ambientali di sistemi cogenerativi avanzati e analisi di casi applicativi

Lo scopo di questa tesi è quello di analizzare dapprima l’impatto ambientale di tali impianti e poi analizzare il contributo effettivo che oggi la tecnologia innovativa dei cicli Rankine organici può dare nella valorizzazione elettrica del calore di scarto di processi industriali, focalizzando l’obiettivo principalmente sulle turbine a gas ed eseguendo un caso di studio in un settore ancora poco esplorato da questa tecnologia, quello Oil&Gas. Dopo aver effettuato il censimento degli impianti a fonti fossili e rinnovabili, cogenerativi e non, presenti in Emilia-Romagna, è stato sviluppato un software chiamato MiniBref che permette di simulare il funzionamento di una qualsiasi centrale termoelettrica grazie alla possibilità di combinare la tecnologia dell’impianto con il tipo di combustibile consentendo la valutazione delle emissioni inquinanti ed i potenziali di inquinamento. Successivamente verranno illustrati gli ORC, partendo dalle caratteristiche impiantistiche e termodinamiche fino ad arrivare alla scelta del fluido organico, fondamentale per le performance del ciclo. Dopo aver effettuato una ricognizione dello stato dell’arte delle applicazioni industriali degli ORC nel recupero termico, verranno eseguite simulazioni numeriche per ricostruire gli ORC ed avere una panoramica il più completa ed attendibile delle prestazioni effettive di questi sistemi. In ultimo verranno illustrati i risultati di un caso di studio che vede l’adozione di recupero mediante ciclo organico in un’installazione esistente del settore Oil&Gas. Si effettuerà uno studio delle prestazione dell’impianto al variare delle pressioni massime e minime del ciclo ed al variare del fluido impiegato al fine di mostrare come questi parametri influenzino non solo le performance ma anche le caratteristiche impiantistiche da adottare. A conclusione del lavoro si riporteranno i risultati relativi all’analisi condotte considerando l’impianto ai carichi parziali ed in assetto cogenerativo.