Sviluppo di sistemi per l'analisi della combustione in tempo reale per motori endotermici alternativi

I moderni motori a combustione interna diventano sempre più complessi L'introduzione della normativa antinquinamento EURO VI richiederà una significativa riduzione degli inquinanti allo scarico. La maggiore criticità è rappresentata dalla riduzione degli NOx per i motori Diesel da aggiungersi a quelle già in vigore con le precedenti normative. Tipicamente la messa a punto di una nuova motorizzazione prevede una serie di test specifici al banco prova. Il numero sempre maggiore di parametri di controllo della combustione, sorti come conseguenza della maggior complessità meccanica del motore stesso, causa un aumento esponenziale delle prove da eseguire per caratterizzare l'intero sistema. L'obiettivo di questo progetto di dottorato è quello di realizzare un sistema di analisi della combustione in tempo reale in cui siano implementati diversi algoritmi non ancora presenti nelle centraline moderne. Tutto questo facendo particolare attenzione alla scelta dell'hardware su cui implementare gli algoritmi di analisi. Creando una piattaforma di Rapid Control Prototyping (RCP) che sfrutti la maggior parte dei sensori presenti in vettura di serie; che sia in grado di abbreviare i tempi e i costi della sperimentazione sui motopropulsori, riducendo la necessità di effettuare analisi a posteriori, su dati precedentemente acquisiti, a fronte di una maggior quantità di calcoli effettuati in tempo reale. La soluzione proposta garantisce l'aggiornabilità, la possibilità di mantenere al massimo livello tecnologico la piattaforma di calcolo, allontanandone l'obsolescenza e i costi di sostituzione. Questa proprietà si traduce nella necessità di mantenere la compatibilità tra hardware e software di generazioni differenti, rendendo possibile la sostituzione di quei componenti che limitano le prestazioni senza riprogettare il software.

Controllo del moto di una macchina automatica flessibile per il packaging

In questo studio viene sviluppato il controllo del moto di una macchina automatica per il packaging destinata a linee di media produttività con cambi formato rapidi. Il lavoro comprende la realizzazione di simulazioni dei gruppi macchina, la progettazione dei profili di moto da assegnare ai loro motori ed, infine, l'analisi dinamica e la verifica degli attuatori stessi.

Realizzazione e verifica sperimentale del sistema di controllo di convertitori elettronici di potenza per l'interfacciamento con la rete elettrica

In questo lavoro di tesi è stato realizzato lo schema di controllo di un raddrizzatore attivo e di un filtro attivo. Questi sono stati realizzati utilizzando il software Simulink, effettuando una prima fase di simulazione. Tramite il sistema dSpace è stato possibile poi controllare concretamente il convertitore ed effettuare le prove sperimentali.

Progettazione del banco prova per motori ad alta prestazione

Si è progettato un assemblato formato da due container con funzione di porta banco prova motore e una postazione dedicata agli utenti e alle apparecchiature di controllo.

Studio sul convertitore elettronico per il pilotaggio di motori asincroni trifase

La semplicità, affidabilità, robustezza ed economicità del motore asincrono trifase ne fanno un motore largamente utilizzato sia in ambiente industriale che civile (pompe, ascensori, montacarichi, nastri trasportatori, ventilatori, locomotive ferroviarie, …). È ipotizzabile che in futuro vi sarà sempre più largo impiego di motori elettrici e i recenti sviluppi nella tecnologia dei convertitori elettronici per il controllo dei motori asincroni ne consentiranno l’uso in sempre più estesi ambiti applicativi. La messa sotto tensione di motori a media/alta potenza presenta però, in fase di avviamento, correnti di spunto e coppie elevate che devono essere controllate. In questa tesi saranno pertanto studiate le tecniche di protezione, avviamento e controllo dei motori asincroni trifase Nel primo capitolo esamineremo le funzioni di sezionamento, comando e protezione da cortocircuiti e sovraccarichi e i dispositivi adatti a svolgere tale compito in modo coordinato. Nel secondo capitolo esamineremo le principali tecnologie usate per l’avviamento dei motori, da quelle più semplici a quelle che impiegano dispositivi elettronici allo stato solido: Soft-Starters a tiristori (solo regolazione AC), Inverters a transistori (controllo sia in frequenza che ampiezza della forma d’onda AC generata). Fra tutti i possibili convertitori DC/AC analizzeremo dettagliatamente esclusivamente quelli a controllo PWM analogico che costituiranno l’oggetto della trattazione dei capitoli seguenti.

Definizione di indici per la diagnosi della detonazione in motori ad accensione comandata

Presentazione di alcuni indici di diagnosi detonazione e recenti sistemi di controllo di anticipo d'accensione.

Impiego di regolatori ripetitivi per il controllo di convertitori elettronici di potenza per l'interfacciamento con la rete elettrica

L’obiettivo di tesi consiste nel valutare il funzionamento di regolatori ripetitivi per il controllo di un inverter utilizzato come filtro attivo al fine di eliminare le armoniche di corrente prodotte da un carico distorcente trifase connesso in rete. È descritto lo schema di simulazione realizzato in ambiente Simulink di Matlab per poter individuare una possibile implementazione del controllo. È descritta l’attività di prototipazione rapida svolta mediante il sistema dSPACE per poter verificare sperimentalmente il funzionamento del controllo con regolatore ripetitivo su un modello di impianto reale costituito da inverter, carico distorcente e rete.

Implementazione di una metodologia basata sulla chimica cinetica estesa tabulata per la simulazione dell'insorgenza e dell'evoluzione della detonazione nei motori ad accensione comandata

L'analisi accurata del processo di combustione è un aspetto sempre più influente nello sviluppo di un motore a combustione interna. In particolare il fenomeno della detonazione pone dei limiti sull'efficienza dei motori ad accensione comandata. Il rapporto di compressione è limitato in fase di progettazione dello sviluppo motore, lasciando al controllo dell'anticipo di accensione il compito di ridurre le problematiche di una combustione anomala. Nella seguente tesi si vuole implementare una metodologia per la valutazione dell'insorgere e dello sviluppo della detonazione in base alle condizioni di funzionamento del motore per differenti miscele di combustibili. Il metodo consiste nell'affiancare la cinetica chimica tabulata al risolutore CFD, \textsc{KIVA-3}. La cinetica chimica permette di determinare la velocità di reazione per differenti specie durante l'ossidazione a partire da precise condizioni ambiente. Il solutore CFD potrebbe risolvere questo tipo di problema ma utilizzare dei modelli con più reazioni chimiche richiede dei tempi di simulazioni troppo elevati. La cinetica chimica tabulata consiste nella determinazione ed estrapolazione dei dati relativi all'evoluzione della detonazione utilizzando schemi cinetici con centinaia o migliaia di reazioni. In seguito alla determinazione della miscela desiderata sono state eseguite delle simulazioni utilizzando il solutore Cantera per la determinazione dell'evoluzione dell'ossigeno. E' stata scelta questa grandezza come indicatore del progresso della detonazione poiché fornisce un'indicazione sullo stato di avanzamento delle reazioni. Successivamente i dati ricavati sono stati forniti al solutore CFD, tramite il quale sono state effettuate delle simulazioni per verificare i risultati ottenuti nella valutazione del comportamento di un motore ad alte prestazioni.

Studio ed ottimizzazione di un sistema di sovralimentazione per un motore a 2 tempi aeronautico

Implementazione di un sistema di sovralimentazione per un motore due tempi tramite supercharger, eseguito con metodo classico e monodimensionale col software GT-POWER.

Controllo di un impianto ad aria compressa per limitare gli avviamenti del compressore mediante regolatore misto retroazione-azione in avanti

Progetto di un sistema di controllo della pressione dellʼaria compressa in un serbatoio. In particolare, dopo aver introdotto gli impianti ad aria compressa e mostrato i vari parametri di tali impianti, si vedrà̀ un modo di progettare un sistema di controllo che permetta di inviare allʼutenza una portata di aria che consenta di mantenere costante la pressione nel serbatoio di accumulo, dal quale lʼutenza preleva la portata. Il sistema permetterà di variare allʼoccorrenza lo spazio nocivo (o volume nocivo) del compressore volumetrico dellʼimpianto, in base a quanto volume dʼaria viene richiesto ad ogni ciclo di mandata dallʼutenza (volume dʼaria per ciclo o portata dʼaria); in generale i compressori di questo tipo di impianti possono essere o volumetrici o rotativi, ma in questo lavoro di tesi ci si concentrerà su compressori volumetrici. Il sistema servirà a fare in modo di mantenere la pressione nel serbatoio costante, per evitare dannose sovrappressioni al suo interno (o al contrario pressioni troppo basse), che con lʼausilio di pressostati inducono lo spegnimento del compressore (pressioni troppo basse al contrario ne inducono lʼaccensione se spento), con successivo riavviamento. Quindi il sistema aiuterà a limitare il più possibile il numero di avviamenti, riducendo il consumo energetico dovuto alle correnti di spunto ed evitando di danneggiare il compressore. Per verificare il corretto funzionamento del sistema si utilizzerà un modello simulato del sistema di controllo della pressione nel serbatoio realizzato in ambiente software Simulink. Verrà infine anche quantificato il risparmio economico che si ottiene con lʼintroduzione del sistema.

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.

Il controllo delle strutture tettoniche sul carsismo dei Gessi bolognesi: i casi di studio delle doline della Spipola e dell'Inferno

Le relazioni tra carsismo e strutture tettoniche sono indubbiamente uno dei campi dell'indagine speleogenetica più interessanti per comprendere le relazioni dei sistemi carsici con la geologia di una determinata area. La struttura di un sistema carsico dipende infatti da molteplici fattori, il cui ruolo può essere sostanzialmente passivo (caratteristiche strutturali) o attivo (condizioni ambientali). Per quanto sia conosciuta l'indubbia relazione di controllo dei fattori passivi sullo sviluppo e l'evoluzione dei sistemi carsici, mancano ancora in letteratura dei testi dettagliati e focalizzati sul controllo che le strutture tettoniche hanno sul carsismo alla macro scala. L'obiettivo di questa tesi è analizzare l'area carsica dei Gessi bolognesi attraverso indagini di rilevamento sia in esterno che in grotta per: a) integrare e migliorare la già esistente cartografia geologica attraverso i dati reperibili direttamente dal sottosuolo; b) delineare dei modelli sui principali meccanismi di controllo strutturale sulla speleogenesi dell'area in esame.

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.

Real-Time Engine Diagnostic and Control Based on Acoustic Emissions Analysis

Engine developers are putting more and more emphasis on the research of maximum thermal and mechanical efficiency in the recent years. Research advances have proven the effectiveness of downsized, turbocharged and direct injection concepts, applied to gasoline combustion systems, to reduce the overall fuel consumption while respecting exhaust emissions limits. These new technologies require more complex engine control units. The sound emitted from a mechanical system encloses many information related to its operating condition and it can be used for control and diagnostic purposes. The thesis shows how the functions carried out from different and specific sensors usually present on-board, can be executed, at the same time, using only one multifunction sensor based on low-cost microphone technology. A theoretical background about sound and signal processing is provided in chapter 1. In modern turbocharged downsized GDI engines, the achievement of maximum thermal efficiency is precluded by the occurrence of knock. Knock emits an unmistakable sound perceived by the human ear like a clink. In chapter 2, the possibility of using this characteristic sound for knock control propose, starting from first experimental assessment tests, to the implementation in a real, production-type engine control unit will be shown. Chapter 3 focus is on misfire detection. Putting emphasis on the low frequency domain of the engine sound spectrum, features related to each combustion cycle of each cylinder can be identified and isolated. An innovative approach to misfire detection, which presents the advantage of not being affected by the road and driveline conditions is introduced. A preliminary study of air path leak detection techniques based on acoustic emissions analysis has been developed, and the first experimental results are shown in chapter 4. Finally, in chapter 5, an innovative detection methodology, based on engine vibration analysis, that can provide useful information about combustion phase is reported.