A cohomological approach to Ruelle-Pollicott resonances and speed of mixing of Anosov diffeomorphisms

Given a transitive Anosov diffeomorphism on a closed manifold it is known that, for smooth enough observables, the system is mixing w.r.t. the measure of maximal entropy. Therefore, it makes sense to investigate the speed of decay of correlations and to look for the so-called Ruelle-Pollicott resonances, in order to determine a complete asymptotics for the decay of correlations. In this thesis we are able to find the first terms of that asymptotics and to prove an estimate for the speed of decaying of correlations. The proof is based on a surprising connection between the action of a transfer operator on suitable anisotropic Banach spaces of currents and the action induced by the Anosov map on the de Rham cohomology.

Theoretical and Experimental Analysis of micro-CHP Energy Systems

In the framework of the micro-CHP (Combined Heat and Power) energy systems and the Distributed Generation (GD) concept, an Integrated Energy System (IES) able to meet the energy and thermal requirements of specific users, using different types of fuel to feed several micro-CHP energy sources, with the integration of electric generators of renewable energy sources (RES), electrical and thermal storage systems and the control system was conceived and built. A 5 kWel Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell (PEMFC) has been studied. Using experimental data obtained from various measurement campaign, the electrical and CHP PEMFC system performance have been determinate. The analysis of the effect of the water management of the anodic exhaust at variable FC loads has been carried out, and the purge process programming logic was optimized, leading also to the determination of the optimal flooding times by varying the AC FC power delivered by the cell. Furthermore, the degradation mechanisms of the PEMFC system, in particular due to the flooding of the anodic side, have been assessed using an algorithm that considers the FC like a black box, and it is able to determine the amount of not-reacted H2 and, therefore, the causes which produce that. Using experimental data that cover a two-year time span, the ageing suffered by the FC system has been tested and analyzed.

Powertrain Architectures and Technologies for New Emission and Fuel Consumption Standards

New powertrain design is highly influenced by CO2 and pollutant limits defined by legislations, the demand of fuel economy in for real conditions, high performances and acceptable cost. To reach the requirements coming from both end-users and legislations, several powertrain architectures and engine technologies are possible (e.g. SI or CI engines), with many new technologies, new fuels, and different degree of electrification. The benefits and costs given by the possible architectures and technology mix must be accurately evaluated by means of objective procedures and tools in order to choose among the best alternatives. This work presents a basic design methodology and a comparison at concept level of the main powertrain architectures and technologies that are currently being developed, considering technical benefits and their cost effectiveness. The analysis is carried out on the basis of studies from the technical literature, integrating missing data with evaluations performed by means of powertrain-vehicle simplified models, considering the most important powertrain architectures. Technology pathways for passenger cars up to 2025 and beyond have been defined. After that, with support of more detailed models and experimentations, the investigation has been focused on the more promising technologies to improve internal combustion engine, such as: water injection, low temperature combustions and heat recovery systems.

Modelling and Optimization of Energy Management Strategies for Hybrid Vehicles

In the last decades the automotive sector has seen a technological revolution, due mainly to the more restrictive regulation, the newly introduced technologies and, as last, to the poor resources of fossil fuels remaining on Earth. Promising solution in vehicles’ propulsion are represented by alternative architectures and energy sources, for example fuel-cells and pure electric vehicles. The automotive transition to new and green vehicles is passing through the development of hybrid vehicles, that usually combine positive aspects of each technology. To fully exploit the powerful of hybrid vehicles, however, it is important to manage the powertrain’s degrees of freedom in the smartest way possible, otherwise hybridization would be worthless. To this aim, this dissertation is focused on the development of energy management strategies and predictive control functions. Such algorithms have the goal of increasing the powertrain overall efficiency and contextually increasing the driver safety. Such control algorithms have been applied to an axle-split Plug-in Hybrid Electric Vehicle with a complex architecture that allows more than one driving modes, including the pure electric one. The different energy management strategies investigated are mainly three: the vehicle baseline heuristic controller, in the following mentioned as rule-based controller, a sub-optimal controller that can include also predictive functionalities, referred to as Equivalent Consumption Minimization Strategy, and a vehicle global optimum control technique, called Dynamic Programming, also including the high-voltage battery thermal management. During this project, different modelling approaches have been applied to the powertrain, including Hardware-in-the-loop, and diverse powertrain high-level controllers have been developed and implemented, increasing at each step their complexity. It has been proven the potential of using sophisticated powertrain control techniques, and that the gainable benefits in terms of fuel economy are largely influenced by the chose energy management strategy, even considering the powerful vehicle investigated.

Water and sediments geochemistry and elemental fluxes on a Large Dam: case study of Ridracoli reservoir.

Since the study of Large Dam Reservoirs is of worldwide interest, in this PhD project we investigated the Ridracoli reservoir, one of the main water supply in Emilia-Romagna (north-eastern Italy). This work aims to characterize waters and sediments to better understand their composition, interactions and any process that occurs, for a better geochemical and environmental knowledge of the area. Physical and chemical analyses on the water column have shown an alternation of stratification and mixing of water in the reservoir’s water body due to seasonal variations in temperature and density. In particular, it was observed the establishment, in late summer, of anoxic conditions at the bottom, which in turn affects the concentration and mobility of some elements of concern (e.g. Fe and Mn) for the water quality. Sediments within the reservoir and from surrounding areas were analysed for organic matter, total inorganic composition and grain size, assessing the inter-element relationship, grain size, geological background and damming influences on their chemistry, through descriptive statistics, Principal Component Analysis and Cluster Analysis. The reservoir’s area was also investigated by pseudo total composition (Aqua Regia digestion), degree of elements extractability, and enrichment factors, then analysed and compared to limits by law and literature. Sediment cores, interstitial waters, and benthic chamber data from the bottom were of great interest due to organic matter degradation, early diagenesis, mineral formation at water-sediment interface and observed flows. Finally, leaching test and extraction procedures, of environmental interest, showed peculiar partitioning, both regarding spatial and in-depth distribution, and the absence of pollution. Collectively, our results are useful for the comprehension of processes that occur in water and sediments of Ridracoli reservoir, providing important knowledges on the site that could be relevant for the management of the resource and the planning of future interventions.

Development of Advanced Combustions using Cylinder Pressure Signal

Zero-carbon powertrains development has become one of the main challenges for automotive industries around the world. Following this guideline, several approaches such as powertrain electrification, advanced combustions, and hydrogen internal combustion engines have been aimed to achieve the goal. Low Temperature Combustions, characterized by a simultaneous reduction of fuel consumption and emissions, represent one of the most studied solutions moving towards a sustainable mobility. Previous research demonstrate that Gasoline partially premixed Compression Ignition combustion is one of the most promising LTC. Mainly characterized by the high-pressure direct-injection of gasoline and the spontaneous ignition of the premixed air-fuel mixture, GCI combustion has shown a good potential to achieve the high thermal efficiency and low pollutants in compression ignited engines required by future emission regulations. Despite its potential, GCI combustion might suffer from low combustion controllability and stability, because gasoline spontaneous ignition is significantly affected by slight variations of the local in-cylinder thermal conditions. Therefore, to properly control GCI combustion assuring the maximum performance, a deep knowledge of the combustion process, i.e., gasoline auto-ignition and the effect of the control parameters on the combustion and pollutants, is mandatory. This PhD dissertation focuses on the study of GCI combustion in a light-duty compression ignited engine. Starting from a standard 1.3L diesel engine, this work describes the activities made moving toward the full conversion of the engine. A preliminary study of the GCI combustion was conducted in a “Single-Cylinder” engine configuration highlighting combustion characteristics and dependencies on the control parameters. Then, the full engine conversion was performed, and a wide experimental campaign allowed to confirm the benefits of this advanced combustion methodologies in terms of pollutants and thermal efficiency. The analysis of the in-cylinder pressure signal allowed to study in depth the GCI combustion and develop control-oriented models aimed to improve the combustion stability.

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.

Sviluppo di metodologie per la Stima in Tempo Reale delle Grandezze Indicate in Motori a Combustione Interna

Modern Internal Combustion Engines are becoming increasingly complex in terms of their control systems and strategies. The growth of the algorithms’ complexity results in a rise of the number of on-board quantities for control purposes. In order to improve combustion efficiency and, simultaneously, limit the amount of pollutant emissions, the on-board evaluation of two quantities in particular has become essential; namely indicated torque produced by the engine and the angular position where 50% of fuel mass injected over an engine cycle is burned (MFB50). The above mentioned quantities can be evaluated through the measurement of in-cylinder pressure. Nonetheless, at the time being, the installation of in-cylinder pressure sensors on vehicles is extremely uncommon mainly because of measurement reliability and costs. This work illustrates a methodological approach for the estimation of indicated torque and MFB50 that is based on the engine speed fluctuation measurement. This methodology is compatible with the typical on-board application restraints. Moreover, it requires no additional costs since speed can be measured using the system already mounted on the vehicle, which is made of a magnetic pick-up faced to a toothed wheel. The estimation algorithm consists of two main parts: first, the evaluation of indicated torque fluctuation based on speed measurement and secondly, the evaluation of the mean value of the indicated torque (over an engine cycle) and MFB50 by using the relationship with the indicated torque harmonic and other engine quantities. The procedure has been successfully applied to an L4 turbocharged Diesel engine mounted on-board a vehicle.

Strategie formulative per la veicolazione nasale di farmaci

Microparticelle a base di complessi polielettrolitici di Chitosano/Pectina per il rilascio nasale di Tacrina cloridrato. Lo scopo di questo studio è stata la ricerca di nuove formulazioni solide per la somministrazione nasale di Tacrina cloridrato allo scopo di ridurre l’eccessivo effetto di primo passaggio epatico ed aumentarne la biodisponibilità a livello del Sistema Nervoso Centrale. La Tacrina è stata incapsulata in microparticelle mucoadesive a base di complessi elettrolitici di chitosano e pectina. Le microparticelle sono state preparate mediante due diversi approcci tecnologici (spray-drying e spray-drying/liofilizzazione) e analizzate in termini di caratteristiche dimensionali, morfologiche e chimico-fisiche. Nanoparticelle di Chitosano reticolate con Sodio Cromoglicato per il trattamento della rinite allergica. Il Sodio Cromoglicato è uno dei farmaci utilizzati per il trattamento della rinite allergica. Come noto, la clearance mucociliare provoca una rapida rimozione dei farmaci in soluzione dalla cavità nasale, aumentando così il numero di somministrazioni giornaliere e, di conseguenza, riducendo la compliance del paziente. Per ovviare a tale problema, si è pensato di includere il sodio cromoglicato in nanoparticelle di chitosano, un polimero capace di aderire alla mucosa nasale, prolungare il contatto della formulazione con il sito di applicazione e ridurre il numero di somministrazioni giornaliere. Le nanoparticelle ottenute sono state caratterizzate in termini di dimensioni, resa, efficienza di incapsulazione e caricamento del farmaco, potenziale zeta e caratteristiche mucoadesive. Analisi quantitativa di Budesonide amorfa tramite calorimetria a scansione differenziale. È stato sviluppato un nuovo metodo quantitativo allo stato solido basato sulla Calorimetria a Scansione Differenziale (DSC) in grado di quantificare in modo selettivo e accurato la quantità di Budesonide amorfa presente in una miscela solida. Durante lo sviluppo del metodo sono stati affrontati problemi relativi alla convalida di metodi analitici su campioni solidi quali la miscelazione di polveri solide per la preparazione di miscele standard e il calcolo della precisione.

Progettazione, modellazione e integrazione di risorse rinnovabili per promuovere lo sfruttamento dell'energia da moto ondoso e la Blue Growth.

L’energia da onda potrebbe assumere un ruolo fondamentale per la transizione energetica durante i prossimi decenni, grazie alla sua continuità nel tempo molto superiore rispetto ad altre risorse rinnovabili e alla sua vasta distribuzione nello spazio. Tuttavia, l’energia da onda è ancora lontana dall’essere economicamente sostenibile, a causa di diverse problematiche tecnologiche e alle difficoltà finanziarie associate. In questa ricerca, si è innanzitutto affrontata una delle maggiori sfide tecniche, nello specifico la progettazione e modellazione di sistemi di ancoraggio per i dispositivi galleggianti, proponendo possibili soluzioni per la modellazione numerica di sistemi di ancoraggio complessi e per l’ottimizzazione dei dispositivi stessi. Successivamente sono state analizzate le possibili sinergie strategiche di installazioni per lo sfruttamento della energia da onda con altre risorse rinnovabili e la loro applicazione nel contesto di aree marine multiuso. In particolare, una metodologia per la valutazione della combinazione ottimale delle risorse rinnovabili è stata sviluppata e verificata in due diversi casi studio: un’isola e una piattaforma offshore. Si è così potuto evidenziare l’importante contributo della risorsa ondosa per la continuità energetica e per la riduzione della necessità di accumulo. Inoltre, è stato concepito un metodo di supporto decisionale multicriteriale per la valutazione delle opzioni di riuso delle piattaforme offshore alla fine della loro vita operativa, come alternativa al decommissionamento, nell’ottica di una gestione sostenibile e della ottimizzazione dell’uso dello spazio marino. Sulla base dei criteri selezionati, l’inclusione di attività innovative come la produzione di energia da onda si è dimostrata essere rilevante per rendere vantaggioso il riuso rispetto al decommissionamento. Numerosi studi recenti hanno infatti sottolineato che, nell’ambito della “crescita blu”, i mercati come l’oil&gas, le attività offshore e le isole stimoleranno lo sviluppo di tecnologie innovative come lo sfruttamento dell’energia da onda, promuovendo la sperimentazione e fornendo un importante contributo all’avanzamento tecnico e alla commercializzazione.

Development of numerical methodologies to predict the liquid fuel sprays - wall interaction to optimize the mixing process of direct injection spark ignition engines

Nowadays the development of new Internal Combustion Engines is mainly driven by the need to reduce tailpipe emissions of pollutants, Green-House Gases and avoid the fossil fuels wasting. The design of dimension and shape of the combustion chamber together with the implementation of different injection strategies e.g., injection timing, spray targeting, higher injection pressure, play a key role in the accomplishment of the aforementioned targets. As far as the match between the fuel injection and evaporation and the combustion chamber shape is concerned, the assessment of the interaction between the liquid fuel spray and the engine walls in gasoline direct injection engines is crucial. The use of numerical simulations is an acknowledged technique to support the study of new technological solutions such as the design of new gasoline blends and of tailored injection strategies to pursue the target mixture formation. The current simulation framework lacks a well-defined best practice for the liquid fuel spray interaction simulation, which is a complex multi-physics problem. This thesis deals with the development of robust methodologies to approach the numerical simulation of the liquid fuel spray interaction with walls and lubricants. The accomplishment of this task was divided into three tasks: i) setup and validation of spray-wall impingement three-dimensional CFD spray simulations; ii) development of a one-dimensional model describing the liquid fuel – lubricant oil interaction; iii) development of a machine learning based algorithm aimed to define which mixture of known pure components mimics the physical behaviour of the real gasoline for the simulation of the liquid fuel spray interaction.