Tecnologie abilitanti per il downsizing dei motori ad accensione comandata

L'elaborato affronta l'applicazione della tecnologia di downsizing nei motori ad accensione comandata: i dispositivi che ne permettono l'implementazione nei veicoli leggeri (EGR, sovralimentazione) e i problemi intrinsechi di questa tecnologia (possibile comparsa di fenomeni anomali di combutione come preaccensioni, autoaccensioni, DDT, detonazione e superknock). Sono presi in esame diversi metodi di soluzione dei problemi sopraelencati, uno fra tutti l'aggiunta di un'iniezione d'acqua per diminuire le temperature dei gas in camera di combustione e mitigare così le possibili detonazioni. Infine l'elaborato analizza alcuni esempi di applicazione della tecnologia di downsizing al fine di ridurre le emissioni di CO2 allo scarico entro i limiti imposti dalla Comunità Europea. Il progetto Ultraboost di Jaguar Land Rover, la filosofia di rightsizing (giusta cilindrata in base alla classe a cui il veicolo appartiene) di Audi, lo SkyActiv-G di Mazda sono solo alcuni dei motori nati sotto la filosofia del downsizing. Nei motori progettati al fine di ridurre le emissioni allo scarico ma allo stesso tempo mantenere buone prestazioni del motore, si trovano anche il concetto di DCEE (Double Compression Expansion Engine) di Joahnnson e il motore a pistoni opposti a due tempi di Achates Power.

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.

Inquinamento ed Emissioni di CO2 in Ambito Navale

La navigazione rappresenta una delle principali fonti di sostanze inquinanti e climalteranti. In Europa, il settore del trasporto marittimo è responsabile di oltre il 40% delle emissioni totali di CO2, oltre che di migliaia di tonnellate di altri inquinanti. Da tempo, il progresso tecnologico mostra la volontà di indirizzare il settore navale verso imbarcazioni meno inquinanti; tuttavia, non è ancora chiaro quali tipologie di tecnologie siano più ecosostenibili. Questo studio cerca di chiarire quali siano le principali cause riguardanti l’inquinamento navale e quali potranno essere le soluzioni sostenibili per il futuro.

Analisi comparativa di un circuito low pressure e high pressure EGR per un motore diesel sottostante a normativa americana US LEV III ULEV 125

Questa tesi di laurea nasce dall’esperienza maturata presso la VM Motori S.p.A., ufficio CRM (Centro Ricerca Motori) di ingegneria, divisione del reparto R&D (Research and Development) situato a Cento di Ferrara. Durante tale esperienza sono state affrontate le problematiche inerenti al settore automotive riguardo la ricerca e lo sviluppo dei motori endotermici diesel. Dopo un approccio introduttivo, che definisce l’ambito lavorativo in cui opera VM Motori S.p.A. e l’oggetto della tesi, si passa alla definizione ed alla calibrazione di un circuito low pressure EGR di un propulsore diesel da 200HP@3800rpm di potenza e 500Nm@1600rpm di coppia per uso automobilistico, mediante l’ausilio dei software AδαMO, INCA, Controldesk Next Generation, DoE, DIAdem ed INDICOM, software per lo studio della calibrazione al banco sviluppo. Si analizzano gli aspetti che contraddistinguono la VM Motori S.p.A. dalle altre aziende specializzate nel settore automotive, facendo riferimento ai campi produttivi in cui si applica l’ingegneria meccanica ed analizzandone gli aspetti tecnici, metodici e gestionali. Da notare il ruolo fondamentale delle automotive nell’economia mondiale in riferimento alla produzione dei principali propulsori diesel, primarie fonti produttive della VM.

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.

Studio dell'effetto dell'acidificazione del mare sulla riproduzione del corallo Astroides calycularis (Scleractinia, Dendrophylliidae) lungo un gradiente naturale di CO2

E’ previsto che l’emissione in atmosfera di anidride carbonica (CO2) da parte dell’uomo e la conseguente acidificazione delle acque dei mari provocherà effetti negativi di vasta portata sui processi biologici di diversi ecosistemi marini. L’acidificazione del mare può provocare effetti negativi su tutti gli stadi del ciclo vitale degli organismi marini, influenzandone la fisiologia, morfologia, comportamento ed alcune fasi della riproduzione e del reclutamento. Esistono poche informazioni riguardo gli effetti dell’acidificazione sulla riproduzione sessuale dei coralli. Questo studio ha lo scopo di quantificare la capacità riproduttiva di Astroides calycularis (scleractinia coloniale mediterranea azooxantellata) in colonie trapiantate lungo un gradiente naturale di pH, generato dalle emissioni di CO2 del cratere vulcanico sottomarino di Panarea (Isole Eolie). Le colonie sono state trapiantate in 4 siti, dal centro del cratere, dove si riscontra la condizione più acida (pH 7.40), alla periferia, caratterizzata da condizioni di pH normali (pH 8.07). La popolazione di A. calycularis di Panarea ha mostrato una sessualità mista a livello coloniale (polipi gonocorici in colonie ermafrodite), in contrapposizione alla condizione gonocorica riscontrata nella stessa specie studiata a Palinuro e a Punta de la Mona (Spagna). I risultati preliminari sembrerebbero mostrare un effetto negativo dell’acidificazione sullo sviluppo gonadico femminile della specie. L’ipotesi è che esso sia dovuto ad una riallocazione delle energie sui processi di calcificazione a danno dell’ovogenesi. La spermatogenesi risentirebbe meno degli effetti negativi dell’acidificazione nelle fasi di sviluppo interne all’ individuo, in quanto meno dispendiose da un punto di vista energetico rispetto alle fasi di ovogenesi. Gli spermatozoi potrebbero invece essere influenzati negativamente dall’ ambiente più acido una volta entrati in contatto con esso, con conseguenze sulla riuscita della fecondazione. Questo studio necessita di ulteriori dati e verrà completato con le analisi istologiche in corso.

Sviluppo di un sistema di sovralimentazione assistito elettricamente per un motore diesel 3.0L V6 ad alta potenza specifica

Questa tesi di laurea nasce dall’esperienza maturata presso l’azienda FCA Italy (Fiat Chrysler Automobiles S.p.A., ex VM Motori) nello stabilimento situato a Cento in provincia di Ferrara, in particolare all’interno dell’ufficio di Ricerca Avanzata CRM (Centro Ricerca Motori), divisione del reparto R&D (Research and Development). Tale esperienza viene riassunta (in piccola parte) in questo elaborato di Tesi, che tratta tematiche inerenti allo sviluppo di un sistema di sovralimentazione assistito elettricamente, applicato ad un propulsore Diesel 3.0L V6 destinato ai segmenti “Premium” del mercato. Il sistema utilizzato, che ha come componente principale un compressore attuato da una macchina elettrica, appartiene all’insieme delle tecnologie cosiddette di e-boosting. Questo tipo di tecnologia, fortemente innovativa e ad oggi non ancora presente sul mercato, ha le potenzialità per rappresentare un significativo passo avanti nel processo di riduzione delle emissioni, dei consumi e del miglioramento delle performance dei moderni motori endotermici alternativi, al punto che un numero crescente di costruttori di motori sta oggi studiando soluzioni come quella oggetto di questo elaborato. L’obiettivo è stato quindi quello di definire, applicare e gestire il sistema di e-boost a banco motore e, successivamente, caratterizzarlo dal punto di vista energetico e testarne le effettive potenzialità. Le fasi in cui ho apportato il mio contributo sono state, in particolare, quelle di definizione e integrazione dei nuovi componenti all’interno del layout motore preesistente, di realizzazione e implementazione delle strategie di controllo in un sistema dedicato in grado di gestire efficacemente i componenti, e di sperimentazione al banco prova. I risultati conseguiti al termine dell’attività sono quindi inerenti allo sviluppo e validazione del sistema di controllo, alla valutazione delle performance del propulsore risultante e alla caratterizzazione e analisi critica del sistema di e-boost dal punto di vista energetico.

Stima del sequestro e immagazzinamento di CO2 nelle praterie di Posidonia oceanica

Ogni anno, a causa dell’utilizzo di combustibili fossili e della produzione di cemento, vengono rilasciate in atmosfera 35,7 × 109 tonnellate di CO2, il principale dei gas serra. Durante l’ultima Conferenza delle Parti della UNFCCC, tenutasi a Parigi e nota come COP-21, gli Stati membri hanno posto come obiettivo il raggiungimento delle “emissioni zero” entro la seconda metà del XXI secolo. Secondo le previsioni fornite dall’IPCC il raggiungimento di tale obiettivo porterebbe comunque la concentrazione atmosferica di CO2 a 430 – 530 ppm con un conseguente aumento di temperatura di 1.5-2°C. Se non si riuscisse a rispettare questo traguardo potrebbe rendersi necessaria la rimozione forzata di CO2 dall’atmosfera. Negli ultimi anni è stata riconosciuta ad alcuni ecosistemi, tra cui le praterie di fanerogame marine, la capacità naturale di sottrarre elevate quantità di CO2, e rimuoverle dall’ambiente sotto forma di carbonio organico, chiamato “Blue Carbon”, per lunghi periodi di tempo. Il principale obiettivo di questo lavoro è quello di stimare i quantitativi di “Blue Carbon” contenuto all’interno dei sedimenti e nella biomassa vegetale di una prateria di Posidonia oceanica. I risultati hanno permesso di quantificare, al variare della densità dei fasci fogliari della pianta, la percentuale di carbonio organico contenuta nei primi 40 cm di sedimento e quello contenuto nella biomassa vegetale. Queste percentuali sono state utilizzate per stimare i quantitativi totali di carbonio all’interno di una ristretta area della prateria, quella attorno allo scoglio di Molarotto. Per quest’area il contenuto in carbonio organico stimato per i sedimenti è risultato essere compreso tra 104,4 e 122,7 t C ha-1, mentre quello contenuto nelle fronde tra 3,65 e 6,31 t C ha-1. Utilizzando il software QGIS è stato infine possibile stimare la quantità totale (fronde + sedimento) di carbonio contenuto all’interno della prateria in generale. Questo è risultato essere di 716 tonnellate.

Effetti delle emissioni naturali gassose sugli pteropodi: uno studio pilota nel Golfo di Napoli

L’aumento della pressione parziale di anidride carbonica in atmosfera e il conseguente aumento dell’idrolisi di CO2 nell’acqua marina, noto come “acidificazione degli oceani", consiste nella diminuzione del pH e nella riduzione dello stato di saturazione delle acque (Ω) rispetto al carbonato di calcio (CaCO3). Il Golfo di Napoli è caratterizzato da elevati livelli di CO2 dovuti alla presenza di emissioni naturali di gas (vents), è perciò considerato un laboratorio naturale per prevedere gli effetti futuri sugli organismi marini dovuti all’aumento della acidificazione degli oceani. Questo lavoro di tesi valuta, per la prima volta, l’effetto dei vents sugli pteropodi Thecosomata (gasteropodi planctonici). Data la loro necessità di ioni carbonato per produrre la conchiglia, questi sono considerati “organismi sentinella” per i cambiamenti del sistema dei carbonati nell’ambiente marino. Gli pteropodi sono stati campionati e successivamente analizzati in termini di abbondanza specifica, dimensione e stato di degradazione della conchiglia. I principali risultati hanno mostrato che dalle stazioni di controllo alle zone con presenza di emissioni gassose, vi è un gradiente di diminuzione dei livelli di pH e Ωar, nonostante in nessuna stazione siano presenti livelli di sottosaturazione carbonatica. Gli pteropodi diminuiscono in termini di abbondanza e biodiversità presentando una conchiglia con livelli di dissoluzione elevata nelle stazioni adiacenti alle emissioni gassose, mentre lo stato di preservazione della conchiglia aumenta all’aumentare della distanza dalle zone di emissione, suggerendo che la variazione dello stato di saturazione nelle diverse stazioni, influenzi i processi di calcificazione dell’organismo. Gli effetti negativi delle emissione gassose sugli pteropodi potrebbero a lungo termine risultare in uno shift di popolazioni a vantaggio di organismi planctonici non calcificanti.

Clean Coal Technologies Scenario and Evaluation of Present CO2 Dwindling Initiatives to Approach Zero Emission Power Stations By Coal Combustion. Deployment Situation and Evaluation Study

In the present uncertain global context of reaching an equal social stability and steady thriving economy, power demand expected to grow and global electricity generation could nearly double from 2005 to 2030. Fossil fuels will remain a significant contribution on this energy mix up to 2050, with an expected part of around 70% of global and ca. 60% of European electricity generation. Coal will remain a key player. Hence, a direct effect on the considered CO2 emissions business-as-usual scenario is expected, forecasting three times the present CO2 concentration values up to 1,200ppm by the end of this century. Kyoto protocol was the first approach to take global responsibility onto CO2 emissions monitoring and cap targets by 2012 with reference to 1990. Some of principal CO2emitters did not ratify the reduction targets. Although USA and China spur are taking its own actions and parallel reduction measures. More efficient combustion processes comprising less fuel consuming, a significant contribution from the electricity generation sector to a CO2 dwindling concentration levels, might not be sufficient. Carbon Capture and Storage (CCS) technologies have started to gain more importance from the beginning of the decade, with research and funds coming out to drive its come in useful. After first researching projects and initial scale testing, three principal capture processes came out available today with first figures showing up to 90% CO2 removal by its standard applications in coal fired power stations. Regarding last part of CO2 reduction chain, two options could be considered worthy, reusing (EOR & EGR) and storage. The study evaluates the state of the CO2 capture technology development, availability and investment cost of the different technologies, with few operation cost analysis possible at the time. Main findings and the abatement potential for coal applications are presented. DOE, NETL, MIT, European universities and research institutions, key technology enterprises and utilities, and key technology suppliers are the main sources of this study. A vision of the technology deployment is presented.

Escenario de potenciales tecnologías limpias de carbón y evaluación de las iniciativas dereducción de CO2 en su aproximación a centrales de generación eléctrica de emisiones cero

Dentro del objetivo común que persigue alcanzar una estabilidad social y una economía de éxito sostenible en el actual e incierto contexto mundial, el pronóstico es que la demanda de energía siga aumentando y que la generación mundial de electricidad se duplique entre los años 2005 y 2030. En este escenario, los combustibles fósiles podrían mantener una contribución muy significativa al mix energético posiblemente hasta el año 2050, participando del mercado de generación de energía eléctrica mundial en aproximadamente un 70% y siendo base de la generación de energía eléctrica europea en un 60%. El carbón sin duda seguirá teniendo una contribución clave. Este incremento en la demanda energética y energía eléctrica, en el consumo de carbón y de combustibles fósiles en general, sin duda tendrá impacto sobre los niveles de concentración de CO2 a nivel global en los diferentes escenarios evaluados, con un fatal pronóstico de triplicar, si no se contiene de alguna manera su emisión, los niveles actuales de concentración de CO2 hasta valores próximos a 1.200 ppm para finales de este siglo XXI. El Protocolo de Kyoto, adoptado en 1997, fue el primer tratado de responsabilidad a nivel mundial para el monitoreo y limitación de las emisiones de CO2, realizando una primera aproximación hasta el año 2012 y tomando como valores de referencia los referidos a los niveles de concentración de gases de efecto invernadero registrados en 1990. Algunos de los principales países emisores de CO2 como USA y China no ratificaron los objetivos de límite de emisión y niveles de reducción de CO2, y sin embargo están tomando sus propias acciones y medidas en paralelo para reducir sus emisiones. Los procesos de combustión más eficientes y con menor consumo de combustible, proporcionan una significativa contribución del sector de generación eléctrica a la reducción de los niveles de concentración de CO2, pero podría no ser suficiente. Tecnologías de captura y almacenamiento de carbono (CCS, del inglés Carbon Capture and Storage) han comenzado a ganar más importancia desde principios de esta década, se ha intensificado la investigación y proliferado la creación de fondos que impulsen su desarrollo y estimulen su despliegue. Tras los primeros proyectos de investigación básica y ensayos a pequeña escala, casi embrionaria, tres procesos de captura se posicionan como los más viables actualmente, con potencial para alcanzar niveles de reducción de CO2 del 90%, mediante su aplicación en centrales de carbón para generación eléctrica. En referencia al último paso del esquema CCS en el proceso de reducción de las ingentes cantidades de CO2 que habría que eliminar de la atmósfera, dos opciones deberían ser consideradas: la reutilización (EOR y EGR) y el almacenamiento. El presente artículo evalúa el estado de las diferentes tecnologías de captura de CO2, su disponibilidad, su desarrollo y su coste de instalación estimado. Se incorpora un pequeño análisis de los costes de operación y varias extrapolaciones, dado que solo están disponibles algunos de estos datos hasta la fecha. Además este artículo muestra los principales hallazgos y los potenciales de reducción de emisiones de CO2 en la utilización del carbón para generar electricidad y proporciona una visión del desarrollo y despliegue actual de la tecnología. Se realiza una revisión de las iniciativas existentes a nivel mundial mediante proyectos de demostración orientados a la viabilidad comercial del esquema CCS para el período 2020 ? 2030. Se evalúan los diferentes programas en curso y sus avances, como el programa de UK, el EEPR (European Energy Program for Recovery), etc. Las principales fuentes empleadas en la elaboración de este artículo son el DOE, NETL, MIT, EPRI, Centros e Institutos de Investigación, Universidades Europeas, Administraciones Públicas y Agencias Internacionales, suministradores de tecnología crítica, compañías eléctricas (utilities) y empresas tecnológicas.

Benefici del long route EGR sulla riduzione dei consumi: studio di fattibilità su motore diesel automobilistico

L'EGR (Exhaust Gas Recirculation) è una tecnica comunemente sfruttata per la riduzione delle emissioni. In questo studio sono stati investigati i benefici, in termini di fuel economy, prodotti dall'aggiunta di un circuito EGR long route su un motore diesel per applicazioni automobilistiche dotato di sistema short route. L'indagine è stata svolta su di un modello motore su software GT-Power, adeguatamente calibrato e validato sui dati da piano quotato. Simulazioni sono state svolte al fine di valutare gli effetti del solo LP-EGR sul motore, per poi considerare un funzionamento combinato dai due sistemi di ricircolo (dual loop). Le maggiori portate che per il sistema long route interessano la turbina determinano un incremento nelle contropressioni. Ciò ha portato a considerare la possibilità di modificare il sistema turbo. Il layout originario comprendeva una turbina a geometria fissa (FGT), a cui ne sono stati affiancati due ulteriori con turbina a geometria variabile (VGT). I risultati sono stati analizzati vincolando la produzione di inquinanti ai valori registrati nei punti di calibrazione relativi al layout originale del motore. Effettivo risparmio di combustibile non è stato riscontrato nell'allestimento con turbina FGT a causa delle elevate contropressioni, mentre con turbine VGT è stata registrata una effettiva fuel economy grazie al sistema LP-EGR senza alcun deterioramento nelle emissioni di NOx e PM. I benefici riscontrati con il LP-EGR sono da attribure ad un incremento del rendimento indicato dovuto alla riduzione delle perdite per scambio termico a seguito di una minore temperatura caratterizzante i gas ricircolati.

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.