Ottimizzazione di una testata per un motore diesel aeronautico

In questo elaborato di tesi ci si è occupati di riprogettare la testata del motore bicilindrico Twin Air del gruppo Fiat. La testata viene ridisegnata al fine di poter destinare questo motore, particolarmente leggero flessibile e dai bassi consumi, ad un uso aeronautico. In questa tesi si è appunto realizzata una nuova testata inserendovi 3 valvole, due di aspirazione e una di scarico, e 2 iniettori per cilinrdo. Una volta completato il disegno sono stati realizzati diversi test attraverso un software di simulazione. In particolare ci si è accertati che la camera di combustione realizzata possa resistere alle alte pressioni e temperature in gioco e che i fluidi scorrano al meglio all'interno dei condotti. Si sono utilizzati i risultati ottenuti per riprogettare iterattivamente la testa ed arrivare a un risultato finale soddisfacente.

Modellistica di accensione per candele ad arco elettrico in motori a combustione interna alternativi

Nel panorama mondiale di contenimento delle emissioni inquinanti in atmosfera é divenuto sempre più importante limitare la parte derivante dai motori a combustione interna: l'utilizzo di motori GDI a carica stratificata e di ricircolo dei gas di scarico (EGR) sono esempi di tecnologie pensate proprio in tale ottica. Sia la presenza di un ambiente magro che di EGR nel cilindro, come anche l'aumento della pressione nel cilindro per l'incremento della pressione di sovralimentazione o del rapporto di compressione, hanno lo svantaggio di limitare la velocità di combustione e rendere più sfavorevoli le condizioni di accensione della miscela; in questo scenario diviene di fondamentale importanza il miglioramento dei sistemi di accensione, la creazione di modelli volti a simularli e la comprensione dei fenomeni che ne stanno alla base. Il seguente lavoro di tesi si inserisce proprio in questo contesto, indagando le varie fasi di cui si compone il fenomeno dell'accensione e le relazioni che legano le variabili di interesse fisico, verificate sulla base di evidenze sperimentali. Successivamente vengono analizzati i principali modelli d'accensione che sono stati proposti e implementati in codici computazionali fluidodinamici; l'analisi mette in luce le differenze, i punti di forza e le semplificazioni introdotte in ognuno di essi, in modo da poterli valutare criticamente. La suddetta analisi é anche utile per introdurre il modello frutto del lavoro del gruppo di ricerca dell'Università di Bologna; ci si concentra particolarmente su quest'ultimo poiché un obiettivo di questo lavoro di tesi é stato proprio l'implementazione e l'utilizzo del modello in un codice fluidodinamico tridimensionale quale CONVERGE CFD. L'implementazione é stata poi validata attraverso simulazioni su una geometria reale di un motore a combustione interna ad elevate prestazioni, confrontando i risultati ottenuti con il nuovo modello rispetto ai dati sperimentali sulla combustione.

Dispersioni di inquinanti in acque costiere dal porto canale di Cesenatico. Modellazione e misure.

La presente dissertazione si apre con l’analisi della costa dell’Emilia Romagna, in particolare quella antistante la città di Cesenatico. Nel primo capitolo si è voluto fare un breve inquadramento delle problematiche che affliggono le acque costiere a debole ricambio. Il Mare Adriatico e in particolare le acque costiere, ormai da più di trent’anni, sono afflitti da una serie di problemi ambientali correlati all’inquinamento. Sulla costa romagnola, già verso la metà degli anni settanta, le prime estese morie di organismi viventi acquatici avevano posto sotto gli occhi dell’opinione pubblica l’insorgenza di situazioni drammatiche per l’ambiente, per la salute pubblica e per due importanti settori dell’economia regionale e nazionale quali il turismo e la pesca. Fino ad allora aveva dominato la diffusa convinzione che la diluizione nell’enorme quantità di acqua disponibile avrebbe consentito di immettere nel mare quantità crescenti di sostanze inquinanti senza intaccare in misura apprezzabile la qualità delle acque. Questa teoria si rivelò però clamorosamente errata per i mari interni con scarso ricambio di acqua (quali per esempio il Mare Adriatico), perché in essi le sostanze che entrano in mare dalla terraferma si mescolano per lungo tempo solo con un volume limitato di acqua antistante la costa. Solo se l’immissione di sostanze organiche è limitata, queste possono essere demolite agevolmente attraverso processi di autodepurazione per opera di microrganismi naturalmente presenti in mare. Una zona molto critica per questo processo è quella costiera, perché in essa si ha la transizione tra acque dolci e acque salate, che provoca la morte sia del plancton d’acqua dolce che di quello marino. Le sostanze estranee scaricate in mare giungono ad esso attraverso tre vie principali: • dalla terraferma: scarichi diretti in mare e scarichi indiretti attraverso corsi d’acqua che sfociano in mare; • da attività svolte sul mare: navigazione marittima e aerea, estrazione di materie prime dai fondali e scarico di rifiuti al largo; • dall’atmosfera: tramite venti e piogge che trasportano inquinanti provenienti da impianti e attività situati sulla terraferma. E’ evidente che gli scarichi provenienti dalla terraferma sono quelli più pericolosi per la salvaguardia delle acque costiere, in particolare vanno considerati: gli scarichi civili (enormemente accresciuti nel periodo estivo a causa del turismo), gli scarichi agricoli e gli scarichi industriali. Le sostanze estranee scaricate in mare contengono una grande abbondanza di sali nutrienti per i vegetali (in particolare nitrati e fosfati) che provengono dai concimi chimici, dai residui del trattamento biologico negli impianti di depurazione e dall’autodepurazione dei fiumi. Queste sostanze una volta giunte in mare subiscono un nuovo processo di autodepurazione che genera ulteriori quantità di nutrienti; i sali di fosforo e azoto così formati si concentrano soprattutto nelle acque basse e ferme della costa e vengono assimilati dalle alghe che possono svilupparsi in modo massivo: tale fenomeno prende il nome di eutrofizzazione. La produzione eccessiva di biomasse vegetali pone seri problemi per la balneazione in quanto può portare a colorazioni rossastre, brune, gialle o verdi delle acque; inoltre la decomposizione delle alghe impoverisce di ossigeno l’acqua, soprattutto sul fondo, provocando morie della fauna ittica. Nello specifico, in questo lavoro di tesi, si prende in considerazione il Porto Canale di Cesenatico, e come le acque da esso convogliate vadano ad influenzare il recettore finale, ovvero il Mar Adriatico. Attraverso l’uso di un particolare software, messo a mia disposizione dal D.I.C.A.M. è stata portata avanti un’analisi dettagliata, comprendente svariati parametri, quali la velocità dell’acqua, la salinità, la concentrazione dell’inquinante e la temperatura, considerando due possibili situazioni. A monte di ciò vi è stata una lunga fase preparatoria, in cui dapprima sono state recepite, attraverso una campagna di misure progettata ad hoc, ed elaborate le informazione necessarie per la compilazione del file di input; in seguito è stato necessario calibrare e tarare il programma, in quanto sono state apportate numerose variazioni di recepimento tutt’altro che immediato; dopodiché è stata introdotta la geometria rappresentante l’area presa in esame, geometria molto complessa in quanto trattasi di una zona molto ampia e non uniforme, infatti vi è la presenza di più barriere frangiflutti, sommerse ed emerse, che alterano in svariati punti la profondità del fondale. Non è stato semplice, a tal proposito, ricostruire l’area e ci si è avvalsi di una carta nautica riportante la batimetria del litorale antistante Cesenatico. Come è stato già detto, questa fase iniziale ha occupato molto tempo e si è dimostrata molto impegnativa. Non sono state comunque da meno le fasi successive. Inoltre, tale simulazione è stata effettuata su due scenari differenti, per poter valutare le differenti conclusioni alle quali essi hanno indotto. Dopo molti “tentativi”, l’eseguibile ha girato ed è arrivato al termine ricoprendo un lasso di tempo pari a ventiquattro ore. I risultati ottenuti in output, sono stati tradotti e vagliati in modo da essere graficati e resi più interpretabili. Segue infine la fase di analisi che ha portato alle deduzioni conclusive. Nei prossimi capitoli, si riporta nel dettaglio quello che in questo paragrafo è stato sinteticamente citato.

Influenza della combustione di biomasse sulla composizione del particolato atmosferico

Questo lavoro si è posto l’obiettivo di valutare l’effetto dei processi di combustione della biomassa sulla composizione chimica del particolato atmosferico. Sono state analizzate le polveri totali sospese (TSP) e le sotto-frazioni PM10 e PM2.5. Il sito di campionamento è collocato in un’area suburbana costiera nella provincia di Rimini. L’area di studio è soggetta all’apporto di contaminanti derivanti dalle emissioni del traffico autoveicolare (urbano e della vicina autostrada A14) e di piccole attività industriali, tra cui la più importante è l’inceneritore di rifiuti solidi urbani. Il campionamento è stato effettuato nei mesi marzo-aprile 2011. Durante questo periodo ricorre la tradizionale festa popolare delle “Focheracce” dove si bruciano enormi cataste di legna per salutare l’inverno ed accogliere la primavera. In corrispondenza proprio di questa giornata si registra in atmosfera un forte incremento della concentrazione di polveri accompagnato da una variazione nella loro composizione chimica. Il levoglucosano (LG), marker specifico dei processi di combustione della biomassa, mostra concentrazioni di un ordine più elevato rispetto a tutto il periodo di campionamento. Incrementi si registrano, più in generale, per tutti quei composti direttamente imputabili ai processi di combustione incompleta, come CO, CE ed IPA. Il campionamento in occasione dei fuochi ha inoltre evidenziato maggiori concentrazioni in atmosfera di potassio, magnesio, ammonio, nitrati e carbonati nella frazione TSP-PM10. In conclusione, dai risultati della caratterizzazione chimica nelle diverse frazioni granulometriche delle polveri è possibile affermare che i processi di combustione della biomassa, hanno nell’area di studio un ruolo importante nel determinare il carico complessivo delle PM. La correlazione inversa tra temperatura atmosferica e concentrazione di levoglucosano induce a pensare che il contributo dovuto alla combustione di biomassa sulle PM sia imputabile al riscaldamento domestico.

Setup sperimentale per l'analisi di rumore in dispositivi MOSFET di potenza

Progettazione dell'amplificatore, allestimento del banco di misure e misurazione del rumore di drain nei MOSFET di potenza

L'impiego del segnale di pressione nel cilindro per il controllo della combustione in motori ad accensione per compressione

Presentazione di alcune delle principali metodologie di controllo per motori ad accensione per compressione, che utilizzano il segnale di pressione cilindro come punto di partenza. Infatti, è dalla rilevazione di questo che è possibile gestire il rilascio di energia all'interno della camera di combustione.

Modellazione della combustione di endoreattori a solido in presenza di difettosità interne al grano

Il presente lavoro di tesi, nell’ambito della simulazione della prestazione di endoreattori a propellente solido, è volto all’indagine di particolari metodologie che permettano di considerare la presenza di inclusioni d’aria nel grano. In particolare saranno presentate procedure di gestione della triangolazione, che nel codice utilizzato rappresenta la superficie di combustione, in modo che essa possa ricalcare la superficie del difetto una volta pervenuta nell’area interessata da quest’ultimo. Infine si mostreranno risultati di simulazioni relative a motorizzazioni complete e a porzioni di queste in maniera da evidenziare effetti sulla balistica, dinamiche d’interazione fra più cavità vicine e variazione sul normale tempo di esposizione delle protezioni termiche ai gas caldi. Le conclusioni saranno tratte in relazione al modello balistico utilizzato.

Tecnologie per l'implementazione dell'iniezione diretta di benzina in motori ad accensione comandata

In questo elaborato sono stati analizzati i vantaggi di un motore benzina GDI rispetto ad un motore PFI, studiando in particolar modo le tecnologie per la formazione della miscela omogenea e stratificata, le configurazioni spray-guided, wall-guided e air-guided della camera di combustione, i principali iniettori utilizzati e le loro caratteristiche. Inoltre è stato eseguito un approfondimento sui parametri che influenzano maggiormente l'emissione di inquinanti come la fasatura delle valvole, la posizione dell'iniettore e l'iniezione multipla, cercando di ottimizzarli in funzione delle nuove normative europee relative alle emissioni per i motori benzina. Infine è stata verificata l'efficienza dell'applicazione del filtro antiparticolato per motori benzina ad iniezione diretta (GPF).

Implementazione e validazione di un modello di accensione per motori a combustione interna

Nell'ambito dei motori ad accensione comandata, la comprensione del processo di accensione e delle prime fasi di sviluppo del kernel è di primaria importanza per lo studio dell'intero processo di combustione, dal momento che questi determinano lo sviluppo successivo del fronte di fiamma. Dal punto di vista fisico, l'accensione coinvolge un vasto numero di fenomeni di natura molto complessa, come processi di ionizzazione e passaggio di corrente nei gas: molti di questi avvengono con tempi caratteristici che ne impediscono la simulazione tramite le attuali tecniche CFD. Si rende pertanto necessario sviluppare modelli semplificati che possano descrivere correttamente il fenomeno, a fronte di tempi di calcolo brevi. In quest'ottica, il presente lavoro di tesi punta a fornire una descrizione accurata degli aspetti fisici dell'accensione, cercando di metterne in evidenza gli aspetti principali e le criticità. A questa prima parte di carattere prettamente teorico, segue la presentazione del modello di accensione sviluppato presso il DIN dell'Università di Bologna dal Prof. Bianche e dall'Ing. Falfari e la relativa implementazione tramite il nuovo codice CONVERGE CFD: la validazione è infine condotta riproducendo un caso test ben noto il letteratura, che mostrerà un buon accordo tra valori numerici e sperimentali a conferma della validità del modello.

Sperimentazione di un EGR HP Mixer e di un Oil Cooler con Bypass in un motore V6 Diesel con l’obiettivo di ridurre la CO2

Lo scopo di questa tesi è stato sperimentare componenti prototipali su un motore V6 Diesel all’interno di un banco dinamico con il fine di valutarne la riduzione di CO2 in cicli di omologazione NEDC e WLTC. In particolare si sono studiati un nuovo EGR HP Mixer e un Oil Cooler dotato di Bypass: il primo componente per migliorare l’EGR distribution da cilindro a cilindro, mentre il secondo componente per ottenere un’ottimizzazione energetica della pompa dell’olio sfruttando il nuovo bypass del cooler. L’Oil Cooler è dotato di due cartucce intercambiabili che cambiano le fasi di bypass a seconda della temperatura dell’olio: la prima cartuccia, a 2 stadi, parte dalla condizione di bypass e chiude a una certa temperatura per proteggere il motore; la seconda, a 3 stadi, sfrutta il bypass solo in un range di temperatura ottimizzato con il calcolo CFD. La riduzione di consumi di gasolio è stata valutata confrontando i diversi consumi a pari emissioni di NOx; in questo modo si è registrata una riduzione di consumi con l’EGR HP Mixer dell’1.7% nel ciclo NEDC e dello 0.5% nel ciclo WLTC. Con lo stesso metodo si è registrato che l’Oil Cooler Bypass determina nel ciclo NEDC una riduzione dello 0.6 % con la valvola a 3 Stadi e una riduzione dello 0.37 % con la valvola a 2 Stadi. Nel ciclo WLTC si è invece ottenuta una riduzione dello 0.1 % con la valvola a 3 Stadi e un aumento dello 0.33 % con la valvola a 2 Stadi. Di ogni componente è stato fatto uno studio stazionario per indagarne a fondo i comportamenti.

Determinazione di tabelle e correlazioni di velocità laminare di fiamma per motori a combustione interna

Negli ultimi anni le preoccupazioni a causa dell’inquinamento ambientale sono risultate sempre maggiori, questo ha portato un sempre più crescente interesse per l’ottimizzazione nella progettazione dei motori a combustione interna per avere un aumento di potenza cercando di utilizzare meno carburante. Sempre più di frequente, al fine di studiare la combustione in modo accurato e ricavarne modelli analitici coerenti con la realtà, ci si rivolge alla simulazione numerica; Tutti i modelli di combustione utilizzati dai solutori CFD richiedono la conoscenza della velocità laminare di fiamma, questa gioca un ruolo molto importante nei motori a combustione interna così come in altre applicazioni, come il calcolo dei moti turbolenti. Il calcolo della velocità laminare può avvenire attraverso modelli di cinetica chimica dettagliata a fronte di un peso computazionale non indifferente oppure utilizzando meccanismi cinetici ridotti con conseguente perdita di accuratezza. L’obiettivo di questa tesi è lo studio della velocità di fiamma laminare al variare delle principali caratteristiche della miscela focalizzandosi sull’effetto di pressione, temperatura e di eventuali inerti (Acqua ed Egr). Attraverso la cinetica chimica dettagliata e relativo calcolo delle velocità delle reazioni di ossidazione sono state definite delle “look up tables” il più possibile dettagliate (nonostante il grande peso computazionale) al fine di avere uno strumento facilmente implementabile in solutori CFD. Inoltre, a partire dai dati acquisiti, si è passati all’analisi delle precedenti correlazioni cercando, nei limiti, di migliorarne e proporne altre per non dover ricorrere all’interpolazione delle mappe.

Valutazione delle potenzialità dell'iniezione d'acqua nei motori GDI di ultima generazione

L'industria automobilistica sta assistendo ad un importante cambiamento verso motorizzazioni con cilindrata unitaria minore, turbocompressi, e con iniezione diretta in camera, a causa delle normative sempre più stringenti sull'emissione di inquinanti allo scarico, inclusa la CO2 per ragioni legate all'effetto serra ed al contenimento dei consumi di fonti energetiche non rinnovabili. I motori turbocompressi lavorano con una pressione media effettiva maggiore, con conseguenti maggiori pressioni e temperature in camera, che di fatto aumentano il rischio di insorgenza di eventi di combustione anomale come pre-accensione e detonazione. Questo porta ad utilizzare il motore con angoli sub-ottimali di anticipo di accensione e con arricchimento della miscela per diminuire le temperature dei gas in ingresso alla turbina. Queste strategie non sono più compatibili con le nuove regolamentazioni, in quanto superano i limiti imposti di emissioni e consumo specifico in cicli reali di utilizzo su strada. Tra le varie possibili soluzioni, l'iniezione d'acqua è una tecnologia già conosciuta, che permette un controllo della tendenza alla detonazione. Il principio consiste nella riduzione della temperatura della carica grazie all'elevato calore latente di vaporizzazione della massa d'acqua iniettata. In questo lavoro sono stati valutati entrambi i layout di iniezione d'acqua, nel condotto e in camera di combustione, in due punti motore: massima potenza e massima coppia. La metodica di ricerca è stata di tipo numerico tramite l'utilizzo di simulazioni tridimensionali CFD a partire da una metodologia basata su modelli fisici solidamente validati. Il software commerciale utilizzato è stato AVL FIRE, che permette di manipolare in modo agevole i risultati sia al suo interno, sia tramite ambienti di calcolo esterno.

Modelli variazionali convessi-nonconvessi per la ricostruzione di segnali bilivello corrotti da sfocamento e rumore: analisi e soluzione numerica.

In questa tesi abbiamo presentato/analizzato metodi variazionali allo stato dell’arte per la ricostruzione – ovvero, rimozione di sfocamento e rumore - di una classe specifica di segnali/immagini caratterizzati dal fatto di essere costanti a tratti e bilivello. Tali metodi ottengono la ricostruzione tramite la minimizzazione di un funzionale formato da due parti: un termine di fedeltà ai dati, la cui forma dipende dal tipo di rumore considerato, e un termine di regolarizzazione che codifica l’informazione a priori disponibile sul segnale da ricostruire (ad esempio, la sua regolarità). Per segnali costanti a tratti, è ben noto che il regolarizzatore deve avere la proprietà di promuovere la sparsità delle derivate prime del segnale. In particolare, molte proposte allo stato dell’arte sfruttano la pseudo-norma l0 o la norma l1 del gradiente, ossia la Variazione Totale (TV). La prima scelta è ottimale in linea teorica poiché promuove al meglio la sparsità, ma il funzionale è fortemente non convesso e i metodi numerici di minimizzazione possono convergere a soluzioni locali. Nel caso di TV si ha invece un problema convesso che garantisce la convergenza a minimi globali ma la qualità della soluzione è sub-ottima. Motivati da vantaggi/svantaggi di l0 ed l1, in questa tesi si è deciso di investigare (teoricamente e sperimentalmente) l’uso di modelli variazionali di tipo Convesso-NonConvesso (CNC). Questi utilizzano particolari regolarizzatori non convessi e parametrici che consentono da un lato di sparsificare meglio di l1, dall’altro di mantenere la convessità del funzionale così da presentare un unico punto di minimo. Tra i metodi CNC investigati, quello denominato GME-TV basato sul concetto di inviluppo di Moreau generalizzato ha prodotto ricostruzioni di qualità sempre migliore di TV e a volte, diremmo sorprendentemente, anche di l0. Questo rappresenta un risultato di particolare rilevanza scientifica nel campo della ricostruzione di segnali/immagini.

Algoritmi per la ricostruzione di immagini tomografiche con rumore misto

Nella tomografia computerizzata subentrano due fonti principali di rumore nel processo di generazione dell'immagine. Il l rumore legato al disturbo generato dall'elettronica si può modellare con un rumore di Gauss, mentre il rumore dovuto all'interazione dei fotoni con il corpo in scansione può essere modellato con un rumore di Poisson. Partendo da un modello per la rimozione del rumore misto di Poisson-Gauss (modello Infimal), viene applicato l'algoritmo del gradiente proiettato scalato (SGP) con Infimal su vari rumori misti per analizzarne l'efficacia.

Post-elaborazione dati vettura per la validazione di strategie di controllo motore

Le recenti restrizioni, che sono state imposte negli ultimi anni, in termini di emissioni hanno dato modo di portare innovazioni tecnologiche nel campo automotive. In particolare, è stata fatta molta strada nel campo dei sistemi di propulsione con lo scopo di ridurre gli inquinanti dovuti ai motori termici tramite l’utilizzo di veicoli ibridi ed elettrici. Oltre a questo, è cresciuta la ricerca anche per tematiche quali: nuove strategie di iniezione, nuovi tipi di combustibile e di motori e analisi più dettagliate dei processi di combustione. Queste innovazioni sono andate di pari passo con uno sviluppo tecnologico riguardante il controllo elettronico presente nel veicolo, il quale permette una maggiore precisione rispetto a quello meccanico. Al fine migliorare l’accuratezza del controllo elettronico è quindi fondamentale l’utilizzo dei segnali provenienti dai sensori, in modo tale da poter individuare e correggere eventuali problemi. Questo progetto ha infatti l’obiettivo di sviluppare strategie per l’analisi e il trattamento di una grande mole di dati, in modo tale da avere un controllo preciso ed automatizzato in modo tale da rendere la procedura meno soggetta ad errori e più veloce. Nello specifico il progetto di tesi è stato incentrato sull’implementazione di nuovi trigger, i quali hanno lo scopo di valutare i segnali in modo tale che non siano presenti problemi per la calibrazione del veicolo. In particolare, sono stati implementati trigger riguardanti il misfire e il controllo dei componenti di un veicolo ibrido, come per esempio il BSG e la batteria a 48V. Il tool fornisce quindi la possibilità di essere sempre aggiornato, ma anche di restituire risultati sempre più precisi potendo aumentare il numero delle funzioni e delle condizioni in essi presenti, con la possibilità, un giorno, di poter realizzare a bordo l’intero processo di calibrazione del motore.