Modello 0-dimensionale di motore a combustione interna e veicolo per applicazioni real-time

La presenta tesi ha come obiettivo la modellazione, tramite il software Matlab Simulink, di un motore a combustione interna ad accensione comandata nelle sue parti fondamentali ed il relativo veicolo. Le parti modellate inerenti al gruppo termico sono quelle di produzione coppia, il sistema di aspirazione con un modello statico e uno dinamico ed, infine, il sistema di scarico. Per quanto riguarda la parte veicolo si implementa la dinamica della driveline e quella longitudinale del mezzo stesso. Il simulatore deve essere costituito da un layout modulare e ha come ipotesi fondamentale quella di poter lavorare in real-time, quindi si utilizza un modello zero-dimensionale e con valori costanti all'interno di un singolo ciclo motore. In conclusione, viene mostrato come implementare il modello in un sistema SIL per poterne testare il funzionamento in tempo reale e visualizzare i risultati da esso prodotti.

Studio del danno indotto dalla detonazione e della temperatura media di pistoni in lega di alluminio e sviluppo di un modello analitico per il calcolo in Real-Time della temperatura dei gas di scarico

In campo motoristico, negli ultimi anni, la ricerca si è orientata allo studio approfondito dell'efficienza di combustione, individuandone in primo luogo i principali aspetti limitanti. Primo tra tutti la detonazione che, essendo dannosa per i componenti del motore (e in particolare quelli della camera di combustione), è adesso al centro di molti studi. L'obiettivo è di conoscerla a fondo in modo da poterne arginare gli effetti. Questa tesi si colloca in un ampio progetto volto a perseguire tale risultato. Infatti, lo studio del danno che viene indotto sui componenti della camera di combustione (i pistoni in particolare), della sua morfologia, della localizzazione prevalente e i principali parametri ai quali esso risulta correlabile, fanno parte dell'attività sperimentale esposta in questo lavoro. Essa si concentra inoltre sul degrado termico della lega dei pistoni a seguito di prove a banco sul motore, che si pongono l'obiettivo di provocare elevati livelli di detonazione e su eventuali benefici che derivano dal poterne accettare episodi di entità incipiente. A tale proposito, viene esposto e validato un modello di temperatura dei gas di scarico Real Time, tramite il quale è possibile calcolare la temperatura di essi una volta noto il punto motore.

Controllo della combustione nei motori alimentati a idrogeno

L’idrogeno utilizzato nei motori a combustione interna potrebbe rappresentare il ponte in grado di fornire tempo e spazio per la completa transizione all’elettrico. L’idrogeno ha tutte le carte in regola per assumere un ruolo di primaria importanza nel contesto odierno: infatti, miscelandosi con l’aria e affrontando la combustione, elimina tutte le emissioni di CO, CO2 e HC, lasciando solo le emissioni di NOx. In più permetterebbe di utilizzare una tecnologia già conosciuta e studiata, cioè il motore a combustione interna. In questo elaborato sono trattate le caratteristiche dell’idrogeno come combustibile e confrontate le due possibili configurazioni per un motore a idrogeno con accensione comandata (DI e PFI), arrivando così ad affrontare l’aspetto principale dell’elaborato, cioè il controllo della combustione in questo tipo di motore.

Sviluppo di algoritmi di RCP per la stima della coppia indicata erogata da un motore a combustione interna.

Combustion control is one of the key factors to obtain better performances and lower pollutant emissions for diesel, spark ignition and HCCI engines. An algorithm that allows estimating, as an example, the mean indicated torque for each cylinder, could be easily used in control strategies, in order to carry out cylinders trade-off, control the cycle to cycle variation, or detect misfires. A tool that allows evaluating the 50% of Mass Fraction Burned (MFB50), or the net Cumulative Heat Release (CHRNET), or the ROHR peak value (Rate of Heat Release), could be used to optimize spark advance or to detect knock in gasoline engines and to optimize injection pattern in diesel engines. Modern management systems are based on the control of the mean indicated torque produced by the engine: they need a real or virtual sensor in order to compare the measured value with the target one. Many studies have been performed in order to obtain an accurate and reliable over time torque estimation. The aim of this PhD activity was to develop two different algorithms: the first one is based on the instantaneous engine speed fluctuations measurement. The speed signal is picked up directly from the sensor facing the toothed wheel mounted on the engine for other control purposes. The engine speed fluctuation amplitudes depend on the combustion and on the amount of torque delivered by each cylinder. The second algorithm processes in-cylinder pressure signals in the angular domain. In this case a crankshaft encoder is not necessary, because the angular reference can be obtained using a standard sensor wheel. The results obtained with these two methodologies are compared in order to evaluate which one is suitable for on board applications, depending on the accuracy required.

Sviluppo di una strategia per l’individuazione di squilibri di titolo tra cilindri di un motore a combustione interna

L’oggetto di questa tesi è l’individuazione di un metodo in grado di rilevare uno squilibrio cilindrico rilevante in un motore a combustione interna ad accensione comandata, sovralimentato dinamicamente. Il progetto si basa sull’osservazione sperimentale di un forte incremento dei valori assunti da indici basati sulla differenza dei tempi dente della ruota fonica, al manifestarsi di un brusco squilibrio di titolo in uno dei quattro cilindri. Ciò ha permesso di rilevare eventuali sbilanciamenti di titolo mediante una diagnosi intrusiva in grado di esaltarli. Questa metodologia a differenza di quelle basate sul segnale proveniente dalla sonda lambda, non risente del problema del mixing dei pacchetti di gas combusti all’interno della turbina. Il lavoro di tesi è consistito nel concepire un indice di rilevamento capace di esaltare il fenomeno sopra descritto, nel creare in ambiente Matlab-Simulink un modello che simuli la strategia in questione e renda possibile la realizzazione di un prototipo, per mezzo del quale è stata validata la strategia a bordo del veicolo. This thesis proposes a methodology to detect a relevant cylinder imbalance by means of flywheel speed fluctuation analysis in a turbocharged internal combustion engine. The main idea behind this project is the evidence that every time a significant cylinder imbalance is present, it is noticed an important increase of index based on tooth time sampled via flywheel. For this reason, it is possible to develop an intrusive strategy, which higliaghts a possible cylinder imbalance presence, in order to detect it. This method, unlike others based on the signal coming from Lambda sensor, doesn’t suffer from the presence of exhaust gases mixing effect inside the turbine. The objective of this thesis is to conceive a detection index able to put in evidence the phenomena described above, and to design a model inside the Matlab-Simulink environment, able to simulate the strategy and to make possible tests on the vehicle by means of a prototype.

Validazione del modello di film fluido implementato in OpenFOAM

Le prestazioni dei motori a combustione interna sono fortemente influenzate dalla formazione di un film fluido, a seguito dell'impatto di uno spray con una parete. Nell'ottica di favorire la formazione della miscela e di ridurre le emissioni, lo studio approfondito di tale fenomeno deve essere supportato da un processo di simulazione assistita dal calcolatore. Pertanto, la Fluidodinamica Computazionale (Computational Fluid Dynamics, CFD) ed i modelli ad essa associati rappresentano al giorno d'oggi uno strumento vantaggioso e sempre più utilizzato. In questo ambito si colloca il presente lavoro di tesi, che si propone di validare il modello di film fluido implementato nel software OpenFOAM-2.3.0, confrontando i risultati ottenuti, in termini di altezza del film fluido, con quelli del caso sperimentale di Le Coz et al.

Accessori per sistemi in cavo nella trasmissione dell'energia elettrica in HVDC: definizione di modelli fisici per la caratterizzazione di materiali isolanti, semiconduttivi e varioresistivi

Lo studio intrapreso si è posto come obiettivo la caratterizzazione dal punto di vista elettrico dei materiali coinvolti nella realizzazione di accessori per applicazioni in HVDC, in particolare mescole isolanti, semiconduttive e varioresistive. La necessità di un lavoro di questo tipo viene giustificata dalla costante espansione dei sistemi in DC nella trasmissione dell’energia elettrica, i quali presentano caratteristiche fisiche che si differenziano sensibilmente da quelle tipiche dei tradizionali sistemi in AC, dunque richiedono componenti e materiali opportunamente progettati per garantire condizioni di servizio sicure e affidabili. L’obiettivo della trattazione consiste nello studio di analogie e differenze tra le proprietà elettriche fornite da prove su diverse configurazioni di provini, nella fattispecie di tipo piano e cilindrico cavo. In primo luogo si studiano i provini di tipo piano al fine di ricavare informazioni basilari sul materiale e sulla mescola che lo costituisce e di prendere decisioni relative al proseguimento dei test. Dopo aver effettuato un sufficiente numero di test su varie tipologie di provini piani e aver riconosciuto le mescole più performanti dal punto di vista elettrico, meccanico e termico, si procede alla realizzazione di provini cilindrici stampati, su cui si intraprendono le medesime misure effettuate per la configurazione piana. Questa seconda fase di caratterizzazione è fondamentale, in quanto consente di verificare che le proprietà già studiate su piastra si conservino in una geometria molto più simile a quella assunta dal prodotto finale evitando di sostenere costi onerosi per la produzione di un accessorio full-size. Il lavoro è stato svolto nel laboratorio elettrico di alta tensione della divisione R&D del gruppo Prysmian di Milano, leader mondiale nella produzione di sistemi in cavo per alte e altissime tensioni.

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.

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.

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.

Controllo emissioni MCI alimentati ad idrogeno

Il tema principale della tesi sono le emissioni di motori a combustione interna alimentati ad idrogeno. Dopo un'introduzione inziale, nella quale si spiegano le proprietà dell'idrogeno e i passaggi per ottenerlo, si entra nello specifico utilizzo di esso come combustibile e nelle modifiche da apportare ad un comune MCI. Nella parte centrale della tesi vengono prese in considerazione le anomalie di combustione ed alcune soluzioni per esse, soffermandosi in particolare sulla detonazione. Nella parte finale, invece, vengono trattate le emissioni inquinanti e i sistemi di post-trattamento dei gas di scarico, cercando di individuare soluzioni ottimali. Anche quando ci si concentra su altri aspetti però si pone sempre un occhio di riguardo alle possibili emissioni inquinanti dettate dalle condizioni descritte.

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.

Vettore energetico idrogeno: specificità per un'adeguata sperimentazione

L'elaborato analizza, in maniera generica, come avviene la produzione, lo stoccaggio ed il trasporto dell'idrogeno e valuta i mezzi che sfruttano l'idrogeno come combustibile: i veicoli a fuel cell e i veicoli con motori a combustione interna alimentati a idrogeno (H2ICE). Poiché le proprietà dell'idrogeno sono molto diverse rispetto a quelle dei combustibili convenzionali, queste nuove tecnologie necessitano di celle di prova appositamente progettate e dimensionate. L'elaborato, pertanto, descrive nel dettaglio quali sono le normative, le strumentazioni e gli standard da rispettare per garantire che, all'interno della sala, i test possano essere eseguiti in totale sicurezza. Inoltre, vengono esaminati i sistemi di consegna e dosaggio dell'idrogeno, passando poi al sistema di ventilazione che gioca un ruolo fondamentale nel funzionamento dei test. Infine, sono riportati esempi di specifici set-up sperimentali volti allo studio delle problematiche riscontrate nei motori a combustione interna alimentati a idrogeno. Nel primo set-up, vengono descritti i sistemi di controllo, il tipo di motore e tutti i sensori utilizzati per analizzare l'impatto che ha l'EGR sui motori H2ICE; mentre, nel secondo, vengono esaminati i fattori che inducono la detonazione e la relativa frequenza.