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.

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.

Urban food planning, city logistics and sustainability: the role of the wholesale produce market. The cases of Parma and Bologna food hubs.

At global level, the population is increasingly concentrating in the cities. In Europe, around 75% of the population lives in urban areas and, according to the European Environmental Agency (2010), urban population is foreseen to increase up to 80 % by 2020. At the same time, the quality of life in the cities is declining and urban pollution keeps increasing in terms of carbon dioxide (CO2) emissions, waste, noise, and lack of greenery. Many of European cities struggle to cope with social, economic and environmental problems resulting from pressures such as overcrowding or decline, social inequity, health problems related to food security and pollution. Nowadays local authorities try to solve these problems related to the environmental sustainability through various urban logistics measures, which directly and indirectly affect the urban food supply system, thus an integrated approach including freight transport and food provisioning policies issues is needed. This research centres on the urban food transport system and its impact on the city environmental sustainability. The main question that drives the research analysis is "How the urban food distribution system affects the ecological sustainability in modern cities?" The research analyses the city logistics project for food transport implemented in Parma, Italy, by the wholesale produce market. The case study investigates the renewed role of the wholesale market in the urban food supply chain as commercial and logistic operator, referring to the concept of food hub. Then, a preliminary analysis on the urban food transport for the city of Bologna is presented. The research aims at suggesting a methodological framework to estimate the urban food demand, the urban food supply and to assess the urban food transport performance, in order to identify external costs indicators that help policymakers in evaluating the environmental sustainability of different logistics measures

Sustainable inorganic Binders and Their Applications in Building Engineering: A Green Alternative to Ordinary Portland Cement

In the last decades, the building materials and construction industry has been contributing to a great extent to generate a high impact on our environment. As it has been considered one of the key areas in which to operate to significantly reduce our footprint on environment, there has been widespread belief that particular attention now has to be paid and specific measures have to be taken to limit the use of non-renewable resources.The aim of this thesis is therefore to study and evaluate sustainable alternatives to commonly used building materials, mainly based on ordinary Portland Cement, and find a supportable path to reduce CO2 emissions and promote the re-use of waste materials. More specifically, this research explores different solutions for replacing cementitious binders in distinct application fields, particularly where special and more restricting requirements are needed, such as restoration and conservation of architectural heritage. Emphasis was thus placed on aspects and implications more closely related to the concept of non-invasivity and environmental sustainability. A first part of the research was addressed to the study and development of sustainable inorganic matrices, based on lime putty, for the pre-impregnation and on-site binding of continuous carbon fiber fabrics for structural rehabilitation and heritage restoration. Moreover, with the aim to further limit the exploitation of non-renewable resources, the synthesis of chemically activated silico-aluminate materials, as metakaolin, ladle slag or fly ash, was thus successfully achieved. New sustainable binders were hence proposed as novel building materials, suitable to be used as primary component for construction and repair mortars, as bulk materials in high-temperature applications or as matrices for high-toughness fiber reinforced composites.

Quantifying and modeling ecosystem services provided by urban greening in cities of the Southern Alps, N Italy

Population growth in urban areas is a world-wide phenomenon. According to a recent United Nations report, over half of the world now lives in cities. Numerous health and environmental issues arise from this unprecedented urbanization. Recent studies have demonstrated the effectiveness of urban green spaces and the role they play in improving both the aesthetics and the quality of life of its residents. In particular, urban green spaces provide ecosystem services such as: urban air quality improvement by removing pollutants that can cause serious health problems, carbon storage, carbon sequestration and climate regulation through shading and evapotranspiration. Furthermore, epidemiological studies with controlled age, sex, marital and socio-economic status, have provided evidence of a positive relationship between green space and the life expectancy of senior citizens. However, there is little information on the role of public green spaces in mid-sized cities in northern Italy. To address this need, a study was conducted to assess the ecosystem services of urban green spaces in the city of Bolzano, South Tyrol, Italy. In particular, we quantified the cooling effect of urban trees and the hourly amount of pollution removed by the urban forest. The information was gathered using field data collected through local hourly air pollution readings, tree inventory and simulation models. During the study we quantified pollution removal for ozone, nitrogen dioxide, carbon monoxide and particulate matter (<10 microns). We estimated the above ground carbon stored and annually sequestered by the urban forest. Results have been compared to transportation CO2 emissions to determine the CO2 offset potential of urban streetscapes. Furthermore, we assessed commonly used methods for estimating carbon stored and sequestered by urban trees in the city of Bolzano. We also quantified ecosystem disservices such as hourly urban forest volatile organic compound emissions.

Biochar in perennial crops: nutritional, agronomical and environmental implications

Biochar is the solid C-rich matrix obtained by pyrolysis of biomasses, currently promoted as a soil amendment with the aim to offset anthropogenic C emissions, while ameliorating soil properties and growth conditions. Benefits from biochar seem promising, although scientific understandings are beginning to be explored. In this project, I performed a suite of experiments in controlled and in field conditions with the aims to investigate the effect of biochar on: a) the interaction with minerals; b) Fe nutrition in kiwifruit; c) soil leaching, soil fertility, soil CO2 emissions partitioning, soil bacterial profile and key gene expression of soil nitrification-involved bacteria; d) plant growth, nutritional status, yield, fruit quality and e) its physical-chemical changes as affected by long-term environmental exposure. Biochar released K, P and Mg but retained Fe, Mn, Cu and Zn on its surface which in turn hindered Fe nutrition of kiwifruit trees. A redox reaction on the biochar surface exposed to a Fe source was elucidated. Biochar reduced the amount of leached NH4+-N but increased that of Hg, K, P, Mo, Se and Sn. Furthermore, biochar synergistically interacted with compost increasing soil field capacity, fertility, leaching of DOC, TDN and RSOC, suggesting a priming effect. However, in field conditions, biochar did not affect yield, nutritional status and fruit quality. Actinomadura flavalba, Saccharomonospora viridis, Thermosporomyces composti and Enterobacter spp. were peculiar of the soil amended with biochar plus compost which exhibited the highest band richness and promoted gene expression levels of Nitrosomonas spp., Nitrobacter spp. and enzymatic-related activity. Environmental exposure reduced C, K, pH and water infiltration of biochar which instead resulted in a higher O, Si, N, Na, Al, Ca, Mn and Fe at%. Oxidation occurred on the aged biochar surface, it decreased progressively with depth and induced the development of O-containing functional groups, up to 75nm depth.

Il modello Positive Energy Districts. Approcci innovativi e strumenti operativi per la transizione verso città clima-neutrali

Ad oggi le città europee si configurano come i principali centri di cultura, innovazione e sviluppo economico. Tuttavia, ospitando circa il 75% della popolazione e consumando quasi l’80% dell’energia prodotta, a causa delle significative emissioni di gas serra esse contribuiscono in modo rilevante ai cambiamenti climatici e, allo stesso tempo, ne subiscono gli effetti più intensi. La Comunità Europea ha preso atto della necessità di intraprendere un’azione sinergica che adotti strategie di mitigazione climatica e preveda misure di adattamento per far fronte agli impatti climatici ormai inevitabili. L'orientamento dei Programmi europei di Ricerca e Innovazione sul tema delle città smart e clima-neutrali sposta l'attenzione dalla dimensione urbana verso la scala di distretto. In questa prospettiva, i Positive Energy Districts (PEDs) si configurano come distretti di nuova edificazione, ma anche come soluzioni ambiziose per la riqualificazione di quartieri esistenti che gestiscono in modo attivo il fabbisogno energetico con un bilancio nullo di emissioni e un surplus di energia prodotta da rinnovabili. La ricerca di dottorato focalizza l’indagine sul modello PEDs esplorandone il potenziale di applicabilità nel contesto urbano consolidato. Nello specifico, la tesi lavora allo sviluppo di due contributi di ricerca originali: il PED-Portfolio e il PED-Toolkit. Tali contributi propongono un approccio sistemico, attraverso il quale intraprendere un percorso di conoscenza e sperimentazione del modello PEDs in una prospettiva di riduzione del fabbisogno energetico, ma anche in un’ottica di migliore accessibilità, vivibilità e resilienza di questi distretti. Al fine di verificare l’applicabilità dei risultati della ricerca, gli strumenti sviluppati vengono testati su un’area pilota e gli esiti di tale sperimentazione sono poi messi a confronto con il quadro dello stato dell’arte e con le principali linee di ricerca internazionali sul tema PEDs, affinando gli esiti del progetto di dottorato in un processo di ricerca-sperimentazione-ricerca.

Low carbon systems for climate change mitigation and adaptation

Global warming and climate change have been among the most controversial topics after the industrial revolution. The main contributor to global warming is carbon dioxide (CO2), which increases the temperature by trapping heat in the atmosphere. Atmospheric CO2 concentration before the industrial era was around 280 ppm for a long period, while it has increased dramatically since the industrial revolution up to approximately 420 ppm. According to the Paris agreement it is needed to keep the temperature increase up to 2°C, preferably 1.5° C, to prevent reaching the tipping point of climate change. To keep the temperature increase below the range, it is required to find solutions to reduce CO2 emissions. The solutions can be low-carbon systems and transition from fossil fuels to renewable energy sources (RES). This thesis is allocated to the assessment of low-carbon systems and the reduction of CO2 by using RES instead of fossil fuels. One of the most important aspects to define the location and capacity of low-carbon systems is CO2 mass estimation. As mentioned, high-emission systems can be substituted by low-carbon systems. An example of high-emission systems is dredging. The global CO2 emission from dredging is relatively high which is associated with the growth of marine transport in addition to its high emission. Thus, ejectors system as alternative for dredging is investigated in chapter 2. For the transition from fossil fuels to RES, it is required to provide solutions for the RES storage problem. A solution could be zero-emission fuels such as hydrogen. However, the production of hydrogen requires electricity, and electricity production emits a large amount of CO2. Therefore, the last three chapters are allocated to hydrogen generation via electrolysis, at the current condition and scenarios of RES and variation of cell characteristics and stack materials, and its delivery.

Economy and environment: Issues on transport externalities, CO2 responsibility and environmental Kuznets curve

In this thesis some of the most important issues presently debated on international sustainability are analysed. The thesis is composed of five independent studies that tackle organically the following issues: the maritime transport externalities, the environmental Kuznets curve, the responsibilities in the carbon dioxide emissions and the integrated approach that have to be used to translate the principles of sustainability into policy. The analysis will be instrumental to demonstrating that sustainability, being a matter of economy, society and environment, requires to be analysed in a transdisciplinary perspective. Using an integrated approach to analyse the relationships between economy and environment, this thesis highlight that sustainability management requires joint economic instruments, integrated analysis, societal behavioural changes as well as responsibilities shifting.

Studio del metodo dell'assorbimento diretto della CO2 per l'analisi del radiocarbonio

L’attuale rilevanza rappresentata dalla stretta relazione tra cambiamenti climatici e influenza antropogenica ha da tempo posto l’attenzione sull’effetto serra e sul surriscaldamento planetario così come sull’aumento delle concentrazioni atmosferiche dei gas climaticamente attivi, in primo luogo la CO2. Il radiocarbonio è attualmente il tracciante ambientale per eccellenza in grado di fornire mediante un approccio “top-down” un valido strumento di controllo per discriminare e quantificare il diossido di carbonio presente in atmosfera di provenienza fossile o biogenica. Ecco allora che ai settori applicativi tradizionali del 14C, quali le datazioni archeometriche, si affiancano nuovi ambiti legati da un lato al settore energetico per quanto riguarda le problematiche associate alle emissioni di impianti, ai combustibili, allo stoccaggio geologico della CO2, dall’altro al mercato in forte crescita dei cosiddetti prodotti biobased costituiti da materie prime rinnovabili. Nell’ambito del presente lavoro di tesi è stato quindi esplorato il mondo del radiocarbonio sia dal punto di vista strettamente tecnico e metodologico che dal punto di vista applicativo relativamente ai molteplici e diversificati campi d’indagine. E’ stato realizzato e validato un impianto di analisi basato sul metodo radiometrico mediante assorbimento diretto della CO2 ed analisi in scintillazione liquida apportando miglioramenti tecnologici ed accorgimenti procedurali volti a migliorare le performance del metodo in termini di semplicità, sensibilità e riproducibilità. Il metodo, pur rappresentando generalmente un buon compromesso rispetto alle metodologie tradizionalmente usate per l’analisi del 14C, risulta allo stato attuale ancora inadeguato a quei settori applicativi laddove è richiesta una precisione molto puntuale, ma competitivo per l’analisi di campioni moderni ad elevata concentrazione di 14C. La sperimentazione condotta su alcuni liquidi ionici, seppur preliminare e non conclusiva, apre infine nuove linee di ricerca sulla possibilità di utilizzare questa nuova classe di composti come mezzi per la cattura della CO2 e l’analisi del 14C in LSC.