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.

Analisi degli effetti dell’iniezione d’acqua mediante simulazione CFD in un motore GDI ad alta potenza specifica

Negli ultimi anni il panorama evolutivo delle normative omologative ha dettato una severa evoluzione dei limiti sulla concentrazione degli inquinanti gassosi allo scarico, inclusa la CO2 per ragioni legate all'effetto serra ed al contenimento dei consumi di fonti energetiche non rinnovabili. L'obiettivo di sviluppo dei nuovi motori a combustione interna è principalmente rivolto all'incremento dell'efficienza di conversione limitato da fenomeni di combustione anomala quali la detonazione. Per superare tale limite è necessario individuare nuove soluzioni che riducano il rischio di detonazione all'aumentare della potenza specifica del motore tra cui trova interesse l'iniezione d'acqua in fase liquida perché l'elevato calore latente di vaporizzazione può fornire il raffreddamento della miscela desiderato. Il progetto sviluppato in questa tesi consiste nella valutazione degli effetti dell'iniezione d'acqua in un motore ad accensione comandata ad alta potenza specifica al fine di analizzarne gli effetti termo-fluidodinamici e valutarne i possibili benefici e svantaggi. La metodica di ricerca è stata di tipo numerico tramite l'adozione della simulazione CFD tridimensionale. Dopo una valutazione preliminare dei tempi caratteristici evaporativi e del rischio di saturazione, lo sviluppo di questa tesi si è articolato in un confronto tra le due soluzioni tecnologiche disponibili, iniezione d'acqua diretta e indiretta, analizzando l'influenza dell'iniezione d'acqua sulle grandezze motoristiche di maggiore interesse, quali titolo della miscela, intensità di turbolenza e temperatura, la cui ottimizzazione e il cui controllo sono fondamentali per il raggiungimento della massima efficienza di un motore ad accensione comandata e per superare il limite della detonazione.

Caratterizzazione sperimentale di cicli di cottura di un forno domestico ad incasso

L'obiettivo di questa tesi era caratterizzare il forno dell'Electrolux, andando a capire quali fossero i fenomeni di scambio termico presenti all'interno della cavità durante le diverse modalità di funzionamento (statico e ventilato) ed al variare del set-point. Tale obiettivo è stato raggiunto in maniera graduale: inizialmente si è caratterizzato il forno a vuoto e, successivamente, è stato utilizzato un "mattone standard" che simulasse la reale presenza del cibo. Quest'ultimo passo è stato realizzato seguendo la normativa "TM SP000003129 - EU Energy Consumption Test for Electric Ovens" relativa alla determinazione dell'indice di efficienza del forno. Mentre il primo obiettivo è stato raggiunto con successo, la determinazione dell'indice di efficienza è stata influenzata da parametri non controllabili, facendo si che i risultati ottenuti non corrispondessero a quelli dichiarati dalla casa costruttrice.

Studio numerico dell’effetto dell’iniezione d’acqua sul rischio di detonazione di motori GDI ad alta potenza specifica

Nel contesto motoristico odierno, in cui le normative sulle emissioni sono sempre più stringenti, il costo dei carburanti è in costante rialzo e il diffondersi della consapevolezza che l’inquinamento prodotto dall’uomo ha alterato irreversibilmente il delicato equilibrio climatico, ha spinto i legislatori verso l’introduzione di norme sempre più stringenti per quanto riguarda le emissioni massime consentite ai motori ad accensione comandata. Questo ha portato alla ricerca di strategie che permettessero di proporre motori più efficienti mantenendo al contempo elevati livelli prestazionali. Il presente lavoro ha voluto meglio delineare le potenzialità e criticità di un sistema di iniezione d’acqua diretto studiandone gli effetti sul ciclo medio di combustione di un motore GDI ad alta potenza specifica alimentato con miscela stechiometrica. La metodica di ricerca è stata di tipo numerico tramite l’adozione di simulazioni CFD tridimensionali. Dopo una prima fase di studio per determinare la miglior combinazione di timing e pressione di iniezione in grado di portare i migliori benefici sotto l’aspetto termo-fluidodinamico nel motore in esame, si è analizzata la fase di combustione, realizzata con diversi anticipi e per quantitativi variabili d’acqua iniettata, procedendo poi al confronto con i risultati di combustione in condizioni di miscela ricca e assenza di acqua, rappresentativa delle condizioni di funzionamento attuali, al fine di individuare la minima massa d’acqua necessaria all’ottenimento delle medesime prestazioni. Si è proceduto poi a ricercare la massima prestazione tramite l’adozione di elevate pressioni d'iniezione, tali da permettere l’impiego di consistenti masse d’acqua. Infine, si sono indagati gli effetti dell’iniezione d’acqua al crescere del rapporto di compressione.

Validazione di metodologie di simulazione dell’impatto a parete di spray di combustibile iniettati ad alta pressione

Il presente lavoro di tesi, svolto in collaborazione con una azienda del settore automotive, tratta lo studio di impatto di sprays combustibili su pareti calde adottando un approccio numerico CFD-3D. Viene effettuata la validazione di alcuni tra i più utilizzati modelli di interazione goccia-parete implementati nel software commerciale STAR-CD. Lo scopo principale del lavoro svolto è quello di indirizzare il lettore verso una corretta implementazione della simulazione di uno spray impattante, comprendere pregi e limiti dei modelli applicati e fornire dei criteri per effettuare la scelta tra uno di essi in funzione di condizioni di interesse motoristico.

Validazione di modelli per la simulazione del film di combustibile liquido a parete in motori ad accensione comandata

Le normative antinquinamento sempre più stringenti in termini di emissioni prodotte da un MCI hanno reso necessario lo studio e lo sviluppo di modelli predittivi in grado quindi di simulare tutto ciò che avviene all’interno della camera di combustione; allo scopo di ottimizzare quello che è un prodotto industriale e che pertanto va venduto. Il presente elaborato di tesi si è quindi incentrato sull’impatto che uno spray di combustibile, iniettato ad alta pressione, ha su pareti calde e fredde, analizzando tutto ciò che concerne l’eventuale sviluppo di wall-film prodotto come la relativa massa, area, spessore e raffreddamento della parete per via della propria interazione con il film a parete. Sono stati prima di tutto studiati i fenomeni fisici in atto e successivamente analizzati i modelli implementati nel codice di calcolo commerciale utilizzato STAR-CD, in particolare il modello di boiling, il modulo 1D-CHT ed il modello di impatto Bai-ONERA; il tutto facendo riferimento a esperimenti, già condotti, presenti in letteratura.

Valutazione della applicazione del ciclo Miller a motori a benzina ad iniezione diretta ad alta potenza specifica

Negli ultimi decenni nuove e sempre più restrittive normative antiinquinamento son state introdotte nei paesi maggiormente industrializzati dettando un aumento degli sforzi progettuali imposti all’industria automobilistica per cercare di contenere l’impatto ambientale esercitato dai motori a combustione interna. E’ evidente quindi l’importanza di possedere una profonda conoscenza dei fenomeni fisici e chimici che influenzano i processi di combustione così come avere a disposizione modelli quanto più accurati per la loro corretta rappresentazione tramite CFD. Per i motori ad accensione comandata gli studi si sono focalizzati sulla ricerca dell’efficienza evitando di incorrere in rischi di detonazione. Numerose sono le tecnologie che permettono di assolvere alle funzioni richieste, tra le più affermate vi sono i sistemi a fasatura variabile, in particolare le strategie che prendono il nome di ciclo Miller. Tale sistema, implementabile facilmente senza l’utilizzo di alcun sistema aggiuntivo, permette di ridurre sensibilmente temperature e pressioni in camera. Il seguente lavoro di tesi studierà, attraverso simulazione numerica tridimensionale condotta con software CONVERGE®, gli aspetti fisici e fluidodinamici indotti dalle diverse strategie REF, EIVC e LIVC applicate ad un motore GDI con tecnologia downsizing e turbocharging (modellato in ambiente CAD, tramite PTC CREO®). Successivamente, allo stesso motore, saranno apportate modifiche progettuali con lo scopo di comprendere in che modo un aumento di un punto del rapporto di compressione, che equivale a spostarsi verso zone a prestazioni più elevate, impatti sull’entità di pressione, temperatura e comportamento fluidodinamico e fisico a pari condizioni operative e di alzata. L’analisi ed il confronto con gli altri casi sancirà se questa nuova configurazione possa essere accettabile o rischiosa ai fini della detonazione.

Analisi dell'effetto di soluzioni di raffreddamento della miscela in motori ad iniezione diretta di media cilindrata

Le normative europee sempre più stringenti in termini di emissioni di inquinanti obbligano le case automobilistiche a ricercare sempre nuove soluzioni per produrre veicoli meno inquinanti e allo stesso tempo più efficienti. Tra gli obiettivi principali per i motori ad accensione comandata, vi è quello di raffreddare la carica all'interno del cilindro per operare su tutta la mappa motore in regime stechiometrico. Molte sono le soluzioni studiate, tra cui si pensa siano efficaci l'applicazione di cicli di sovraespansione e l'iniezione di acqua. Il presente elaborato di tesi si prefigge l'obiettivo di verificare tali ipotesi applicando queste tecnologie ad un motore volto alla ricerca dell'efficienza, sul quale si è applicato un incremento del rapporto corsa- alesaggio. Tale studio è svolto tramite simulazioni tridimensionali CFD. Una valutazione preliminare permetterà di identificare quali parametri possano essere variati per aumentare efficacemente il rapporto C/D. Successivamente si passerà alle simulazioni che si dividono in tre serie per valutare. Il primo gruppo permetterà di determinare quale sia la miglior configurazione tra quelle adottate con la variazione della corsa. Successivamente, ad essa saranno applicate diverse fasature Miller e Atkinson per valutare l'effetto di questi ultimi sul raffreddamento della carica. Infine si applicherà l'iniezione indiretta di acqua ai migliori risultati per confrontare quale tecnologia sia più efficiente. I risultati proposti mirano a migliorare la conoscenza di tali tecnologie, sottolineandone gli aspetti positivi e quelli critici di ognuna di esse.

Progettazione di sistema di distribuzione a cascata di ingranaggi a bassa emissione sonora per motore ad alte prestazioni

Il progetto è stato svolto in collaborazione con HPE COXA, azienda modenese dedicata alla progettazione e simulazione di elementi meccanici per il settore automotive. La finalità del progetto di tesi presentato è quella di progettare un sistema di distribuzione motore a cascata di ingranaggi dedicato ed adattato ad un motore termico V8, 4000cc già esistente, così da sostituire l’attuale sistema di distribuzione a catena e rocchetti. La peculiarità del meccanismo da progettare è la bassa emissione sonora, la quale deve essere ottenuta mediante modifiche al profilo della dentatura e ad un corretto dimensionamento del sistema. Per riuscire a soddisfare la richiesta, si utilizzano software di progettazione e simulazione (KissSoft e KissSys) che consentono di studiare la fase di ingranamento delle ruote permettendo di comprenderne il comportamento. Lo studio approfondisce poi tematiche riguardanti la natura delle modifiche effettuate, la resistenza strutturale, la distribuzione delle forze e delle tensioni e la progettazione di un sistema di ancoraggio e lubrificazione che permetta il corretto funzionamento. Il lavoro sarà completato poi con due appendici, le quali approfondiscono ancora più nel dettaglio alcune delle caratteristiche delle modifiche del profilo di dentature elicoidali, le quali non sono state prese in considerazione per il progetto della distribuzione.

Analisi comparativa delle perdite economiche attese relative ad un edificio esistente in CA con diversi interventi di rinforzo sismico

La presente tesi, in particolare, sfrutta un metodo di analisi semplificato di “loss assessment” o analisi delle perdite economiche, considerando un edificio esistente in CA. L’edificio caso di studio è un tipico edificio intelaiato in CA sito sull’appennino, e progettato e costruito negli anni ’70, dunque, senza tenere conto dell’azione orizzontale del sisma, per cui non presenta i dettagli costruttivi atti a soddisfare i requisiti minimi di duttilità. È stata effettuata una analisi statica non lineare (Pushover), per studiare la risposta della struttura esistente alle azioni orizzontali. Al fine di migliorare il confinamento delle colonne in CA, è stato scelto di utilizzare dei rinforzi locali, tipicamente utilizzati in Italia nella pratica progettuale, atti a migliorare le caratteristiche di duttilità e/o resistenza degli elementi rinforzati, e di conseguenza capaci di migliorare le caratteristiche globali dell’intero sistema strutturale. Sono state selezionate tre diverse tecnologie: le “Fiber Reinforced Polymers” (FRP), il “Concrete Jacketing” (CJ) e il sistema di Cerchiature Attive dei Manufatti (CAM). Nella presente tesi verranno presentate diverse applicazioni di questi sistemi, enunciandone i miglioramenti rispetto al caso “As-built” e poi confrontandole tra di loro in modo da fornire elementi validi a supporto della fase decisionale per la progettazione dell’intervento sull’edificio. Infine vengono valutate le perdite economiche medie annue attese, insieme ad altri parametri sintetici di analisi delle perdite e di analisi costi-benefici. Il fine di questo processo è di studiare quanto uno specifico intervento di miglioramento sismico, applicato all’edificio As-built, consenta di ridurre le perdite economiche sismiche stimate in un anno di vita della struttura, e poi nel corso della sua vita utile, per fornire un elemento di paragone utile per la scelta dell’intervento ottimale.

Modellazione CFD dell'Idrogeno Gassoso nell’Impiego come Combustibile Sintetico in Motori ad Accensione Comandata

L’aumento della quantità di inquinanti emessi in atmosfera, legati all’attività antropica che si è osservato negli ultimi anni, ha portato all’emanazione di normative allo scopo di migliorare la qualità dell’aria e mitigare il cambiamento climatico. I settori responsabili di queste emissioni sono molteplici ma quello dei trasporti risulta essere uno dei maggiori indagati, condizione che ha portato ad una maggiore complessità dei motori a combustione interna, cercando così di ridurre l’impatto che hanno sull’ambiente, il clima e la salute umana. Nonostante tutto, l’abbassamento continuo dei limiti massimi, relativi alla quantità di sostanze che possono essere emesse dai veicoli, ha spinto le case automobilistiche a ricercare nuovi sistemi di propulsione. In questo contesto di riduzione degli inquinanti, sta assumendo una posizione di rilievo la scelta di utilizzare l’idrogeno come combustibile alternativo, concetto che verrà approfondito in questa tesi. Tenendo presente che un ciclo motore è suddiviso in 4 fasi: aspirazione, compressione, espansione e scarico, nell’elaborato di questa tesi, verranno analizzate la sola compressione e successiva combustione sfruttando il software di simulazione AVL FIRE. Lo studio prevede la realizzazione di un modello in grado di descrivere e simulare in maniera realistica il fenomeno di combustione dell’idrogeno e la definizione di una procedura per la caratterizzazione dei parametri di iniezione, prestando particolare attenzione all’influenza che questi hanno sul processo di formazione della miscela in modo da giungere ad una configurazione ottimale. Inizialmente sarà utilizzata una geometria con un iniettore a foro singolo posizionato centralmente, la quale progressivamente verrà modificata allo scopo di ottenere una rappresentazione sempre più simile alla condizione reale.

Applicazioni di tecniche della lean manufacturing e di algoritmi euristici costruttivi ad un layout a reparti

Il layout di un sistema di stoccaggio è un fattore caratteristico e cruciale nell’organizzazione del lavoro e dei flussi di materiale di un’azienda, se le condizioni di partenza non sono soddisfacenti è possibile passare da un layout AS-IS ad uno TO-BE che implementi alcune caratteristiche ricercate. Per intervenire sul layout AS-IS del magazzino in maniera funzionale, e poterne poi sviluppare uno in parte ex-novo, è stato necessario attraversare 3 diverse fasi che ridisegnassero il magazzino. Nella prima fase sono state applicate alcune tecniche di lean manufacturing con lo scopo di eliminare il superfluo e riorganizzare ciò che effettivamente fosse funzionale al lavoro eseguito quotidianamente. Lavorando assieme all’operatore addetto al magazzino è stato possibile raggiungere ottimi risultati sia da un punto di vista qualitativo che quantitativo. Nella seconda fase si è affrontato il problema dello storage assignment che consiste nell’assegnare la diversa merce all’interno del magazzino. Il maggior spazio ottenuto dall’applicazione delle tecniche di lean manufacturing è stato determinante per la scelta di una politica class-based storage. Utilizzando questa politica è stato possibile definire con precisione il numero e la grandezza dei reparti di cui necessitava il magazzino. Le prime due fasi ed i loro risultati operativi tra cui: maggior ordine creato, incremento dello spazio disponile e definizione dei reparti nel magazzino; sono stati fondamentali per poter applicare alcuni algoritmi euristici risolutivi che sviluppassero delle soluzioni di layout TO-BE. Non avendo flussi di materiali costanti ma basandosi soprattutto su lavoro a commessa o lavorazioni di manutenzione su prodotti già consegnati sono stati utilizzati unicamente degli algoritmi costruttivi. Nello specifico sono stati utilizzati 4 diversi algoritmi TCR, Aldep, Corelap e RDM per rendere l’intera trattazione più esaustiva.

Tecniche innovative microbiome-based per il recupero della vongola comune nelle aree ad alta mortalità nell’area FLAG dell’Emilia Romagna

Negli ultimi decenni sono state registrate preoccupati fenomeni di mortalità della vongola Chamelea gallina, in particolare nell’area costiera emiliano-romagnola e di cui non sono ancora state chiarite le cause. Il presente studio si è occupato di caratterizzare la comunità microbica associata alla vongola nella ghiandola digestiva, utilizzando il sequenziamento della regione ipervariabile V3-V4 del gene rRNA 16S, al fine di individuare fenomeni di disbiosi in aree ad elevata mortalità. Sono state quindi esplorate le variazioni stagionali (da luglio a novembre) nella struttura del microbiota della vongola e nell'ecosistema microbico dell'acqua di mare circostante, in quattro siti scelti ad hoc, secondo un gradiente di incidenza storica di mortalità, da Nord a Sud, tra le aree di Ravenna e Rimini. Lo stato di salute della vongola e del suo microbiota associato sono stati esplorati tramite, rispettivamente, l’indice di condizione e lo studio mediante NGS della composizione dell’ecosistema microbico intestinale. I nostri dati, sebbene preliminari, dimostrano come tra le aree Nord e Sud ci sia un comportamento differente e reciproco relativamente all’andamento stagionale dei valori di diversità interna (alfa) al microbiota della vongola, che si riduce dall’estate all’autunno nelle aree Nord (Ravenna e Lido di Savio), mentre aumenta - nello stesso periodo di tempo - nelle aree Sud (Rimini e Cesenatico). A conferma dei dati di alfa diversità, l’analisi mediante PCoA delle variazione del microbiota della vongola tra i quattro siti di indagine stratificate per stagione, dimostrano profonde differenze tra i due estremi nord-sud. In particolare, l’analisi integrata dei dati storici di produttività, indice di condizione e dinamica del microbiota della g.d. ci ha consentito di discriminare cinque famiglie microbiche come potenziali Growth Promoting Bacteria, poiché associate ad un picco di indice di condizione che si registra nelle aree a bassa mortalità, nel mese di settembre.

Tecnologie di Monitoraggio per Architetture ad Eventi in Ambito Enterprise

La maggioranza degli applicativi che utilizziamo quotidianamente come siti di e-commerce e portali di home banking basano il proprio funzionamento su un’infrastruttura a microservizi, cioè un modello architetturale in cui un insieme di più sottocomponenti collabora scambiandosi dati per permettere agli utenti finali di fruire di un servizio. Questo pattern rappresenta lo standard adottato dagli applicativi moderni che ha ormai soppiantato il più datato modello monolitico in cui l’intero funzionamento veniva gestito in un’unica unità implementativa di grandi dimensioni, difficile da sviluppare e mantenere all’aumentare delle funzionalità richieste. Decomporre un unico software in più sottocomponenti permette di ridistribuirne la complessità totale richiedendo però un insieme di accortezze e di strumenti consoni per gestire tutte le entità da sviluppare. A tale scopo al giorno d’oggi è molto importante l’utilizzo della telemetria, cioè la tecnologia che consiste nella raccolta a distanza dei dati generati dai componenti a scopo di analisi di funzionamento e performance dell’intera piattaforma. L’adozione di questa tecnologia comporta numerosi benefici, sia a livello implementativo che dal punto di vista del mantenimento della piattaforma, che potrà essere monitorata anche dopo il rilascio. In questo elaborato di tesi sono stati implementati due use case realistici di piattaforme a microservizi che ricevono ed elaborano dati, alle quali sono state aggiunte nella fase di sviluppo software le funzionalità di due diversi strumenti di telemetria. L’obiettivo è permettere l’analisi dello storico delle elaborazioni eseguite per poter ricostruire il funzionamento dell’intero applicativo a scatola chiusa, analizzando le metriche generate nei log dei microservizi o in un’interfaccia grafica raggiungibile tramite browser. All’interno dell’elaborato verranno descritti tutti i dettagli implementativi, analizzando poi i benefici ottenuti dall’adozione di questi strumenti.

Formule analitiche per il calcolo delle perdite elettrodinamiche in cavi superconduttori ad alta temperatura critica.

Questo elaborato di tesi si concentra sul calcolo delle perdite che si verificano in cavi superconduttori ad alta temperatura critica per la fusione. La valutazione delle perdite riveste un ruolo di particolare importanza nella fase di progettazione di un cavo o di un avvolgimento superconduttore. Infatti, le proprietà superconduttive si manifestano a basse temperature (inferiori alla temperatura di transizione dalla fase normale alla fase superconduttiva) e di conseguenza è necessario configurare un apparato criogenico per il sistema. In tal senso, le perdite rientrano nel “budget” termico necessario a dimensionare correttamente il sistema di raffreddamento. Nel dettaglio, il lavoro verte sulla modellizzazione analitica e numerica delle perdite in una pila di nastri superconduttori in presenza sia di un campo magnetico esterno sia di una corrente di trasporto, entrambi con andamento variabile nel tempo. Gli obiettivi prefissati sono stati raggiunti grazie allo studio della letteratura e alle simulazioni numeriche, effettuate utilizzando dei software commerciali quali COMSOL Multiphysics e Matlab. Il contributo originale di questo elaborato è stato lo sviluppo di un nuovo modello analitico, che permette di calcolare le perdite per isteresi dovute a campi magnetici e correnti variabili periodicamente nel tempo. Le formule hanno carattere generale e possono essere utilizzate quando i campi e le correnti variano in fase seguendo degli andamenti periodici nel tempo di qualsiasi forma. Le simulazioni agli elementi finiti sono servite per validare le formule analitiche proposte. Le nuove relazioni ottenute sono state utilizzate per la stima delle perdite di un inserto ad alta temperatura critica del solenoide centrale di EU-DEMO (DEMOnstration Power Plant). Il modello analitico elaborato sarà pubblicato prossimamente su IEEE-Transactions on Applied Superconductivity.