Novel methods of state estimation and parameter identification for high-performance motorcycles

This research activity aims at providing a reliable estimation of particular state variables or parameters concerning the dynamics and performance optimization of a MotoGP-class motorcycle, integrating the classical model-based approach with new methodologies involving artificial intelligence. The first topic of the research focuses on the estimation of the thermal behavior of the MotoGP carbon braking system. Numerical tools are developed to assess the instantaneous surface temperature distribution in the motorcycle's front brake discs. Within this application other important brake parameters are identified using Kalman filters, such as the disc convection coefficient and the power distribution in the disc-pads contact region. Subsequently, a physical model of the brake is built to estimate the instantaneous braking torque. However, the results obtained with this approach are highly limited by the knowledge of the friction coefficient (μ) between the disc rotor and the pads. Since the value of μ is a highly nonlinear function of many variables (namely temperature, pressure and angular velocity of the disc), an analytical model for the friction coefficient estimation appears impractical to establish. To overcome this challenge, an innovative hybrid solution is implemented, combining the benefit of artificial intelligence (AI) with classical model-based approach. Indeed, the disc temperature estimated through the thermal model previously implemented is processed by a machine learning algorithm that outputs the actual value of the friction coefficient thus improving the braking torque computation performed by the physical model of the brake. Finally, the last topic of this research activity regards the development of an AI algorithm to estimate the current sideslip angle of the motorcycle's front tire. While a single-track motorcycle kinematic model and IMU accelerometer signals theoretically enable sideslip calculation, the presence of accelerometer noise leads to a significant drift over time. To address this issue, a long short-term memory (LSTM) network is implemented.

Two stroke cycle, novel combustion concepts and electrification for a new generation of internal combustion engines

The pursuit of decarbonization and increased efficiency in internal combustion engines (ICE) is crucial for reducing pollution in the mobility sector. While electrification is a long-term goal, ICE still has a role to play if coupled with innovative technologies. This research project explores various solutions to enhance ICE efficiency and reduce emissions, including Low Temperature Combustion (LTC), Dual fuel combustion with diesel and natural gas, and hydrogen integration. LTC methods like Dual fuel and Reactivity Controlled Compression Ignition (RCCI) show promise in lowering emissions such as NOx, soot, and CO2. Dual fuel Diesel-Natural Gas with hydrogen addition demonstrates improved efficiency, especially at low loads. RCCI Diesel-Gasoline engines offer increased Brake Thermal Efficiency (BTE) compared to standard diesel engines while reducing specific NOx emissions. The study compares 2-Stroke and 4-Stroke engine layouts, optimizing scavenging systems for both aircraft and vehicle applications. CFD analysis enhances specific power output while addressing injection challenges to prevent exhaust short circuits. Additionally, piston bowl shape optimization in Diesel engines running on Dual fuel (Diesel-Biogas) aims to reduce NOx emissions and enhance thermal efficiency. Unconventional 2-Stroke architectures, such as reverse loop scavenged with valves for high-performance cars, opposed piston engines for electricity generation, and small loop scavenged engines for scooters, are also explored. These innovations, alongside ultra-lean hydrogen combustion, offer diverse pathways toward achieving climate neutrality in the transport sector.

Metodologie avanzate per l'ottimizzazione dell'assemblaggio di una pompa carburante per automotive

Il seguente elaborato è il frutto del lavoro di tirocinio svolto in Marelli. L'obiettivo del tirocinio è stato il miglioramento del processo di produzione della Pompa Tender. Questa è la pompa di alimentazione benzina per cui Marelli ha vinto la concessione per diventare unico fornitore per tutte le scuderie partecipanti alle gare di formula 1. Il mondo Motorsport rappresenta un ambiente competitivo dove ogni singolo componente delle auto deve garantire le massime prestazioni ed essere affidabile. La massima cura nella produzione è un requisito minimo per diventare fornitori di questa realtà. Per questo Marelli ha deciso di mettere in dubbio il suo processo di fabbricazione cercando un occhio esterno che potesse mettere a nudo eventuali difetti di produzione. Il miglioramento di processo è stato perseguito analizzando ogni operazione in ottica di Lean Manufacturing. Il lavoro è partito con l'analisi del tempo ciclo di produzione accompagnata dalla rilevazione di Muda e verifiche sul corretto approvvigionamento di materiali e accertamenti sulla funzionalità del layout di stabilimento. Dopo le analisi del caso, sono state prese scelte di miglioramento che vanno dal riadattamento del Layout, eliminazione di colli di bottiglia, modifica sulle fasi di processo, riorganizzazione degli strumenti di lavoro sui banchi di assemblaggio ed eliminazione di cause di contaminazione all'interno della pompa. Questo ha permesso di ridurre il tempo ciclo di produzione del componente e di conseguenza diminuire la saturazione dell'operatore. Inoltre, successivamente si è fatto un lavoro di standardizzazione su tutte le pompe dello stesso tipo prodotte nello stabilimento. Grazie a questa standardizzazione si può parlare adesso di famiglia di pompe ed esse non vengono più trattate singolarmente.

Analisi ed implementazione di sistemi innovativi per lo stoccaggio della normaleria nel settore automotive. Il caso Lamborghini Automobili spa.

Attraverso questa tesi si vuole mostrare il valore aggiunto che i sistemi di immagazzinamento automatico della merce possono offrire alle aziende, facendo un focus particolare sulle aziende manifatturiere. La scelta di approfondire questa tematica nasce dall’esperienza di tirocinio svolta all’interno di Automobili Lamborghini S.p.A. situata a Sant’Agata Bolognese (Bologna), nota in tutto il mondo per la produzione di Super Sport Cars. Partendo dall'introduzione dell'order picking e delle tipologie di magazzini esistenti, si passerà all'introduzione di algoritmi per il posizionamento dei codici all'interno di un magazzino. Una volta introdotto il problema dello stoccaggio dei codici di normaleria all'interno di un magazzino, verrà identificata la soluzione implementata in Automobili Lamborghini.

Design e simulazione di un convertitore DC-DC per applicazioni automotive implementato mediante tecnologia GaN

L’obiettivo dell’elaborato è quello di presentare una soluzione di collegamento ed interfacciamento tra il supercondensatore (SC) dell’HESS (sistema ibrido di accumulo dell’energia situato all’interno di un veicolo elettrico) e il DC-link (bus che fornisce la potenza necessaria all’inverter che pilota il motore elettrico) attraverso un convertitore DC-DC ad alta efficienza che utilizzi tecnologie di potenza al nitruro di gallio (GaN). Il convertitore presentato è un convertitore DC-DC bidirezionale in configurazione Half-Bridge, esso dovrà funzionare in modalità Boost, ogni qualvolta il motore richieda energia extra dal SC, in modalità Buck per ricaricare il SC durante la frenata rigenerativa. In seguito ad un’introduzione ai veicoli elettrici, alla loro architettura e al perché il SC è così fondamentale, verrà presentata una breve introduzione ai convertitori di potenza (Capitolo 1). Si passerà poi alla presentazione delle tecnologie GaN mostrando come esse rappresentino il futuro dell’elettronica di potenza grazie ai loro numerosi vantaggi (Capitolo 2). Nel capitolo 3 si entrerà nel vivo della progettazione, è qui che sarà progettata ed implementata la soluzione proposta. Verrà effettuata una prima simulazione del circuito, tenendo conto degli effetti parassiti dei soli componenti, attraverso l’ausilio del software LTSpice. Il Capitolo 4 prevede una breve introduzione alle tecniche di layout, utili nella costruzione del circuito stampato presentata all’interno del medesimo capitolo. Il PCB sarà modellato mediante un secondo software denominato KiCAD. Infine, nel Capitolo 5, si procederà con la simulazione elettromagnetica del circuito stampato, essa permetterà di individuare gli effetti parassiti dovuti alle non idealità del layout e di mostrare l’effettiva differenza di efficienza tra un caso semi-ideale e un caso semi-reale.

Implementazione di un sistema di controllo atto a ottimizzare l’efficienza di convertitori DC-DC impiegati in ambito Automotive e realizzati con tecnologia GaN

Lo scopo del presente progetto di ricerca è quello di dimostrare quelli che potrebbero essere i miglioramenti nell’adottare tecnologie GaN nei convertitori di potenza, soffermandosi sull’ambito Automotive. Si è dunque progettato, simulato ed infine analizzato un sistema di conversione bidirezionale DC-DC. Le prestazioni ottime sono state poi raggiunte attraverso l’introduzione di un sistema di controllo in grado di garantire, in ogni condizione, il miglior funzionamento possibile che garantisca il soddisfacimento delle richieste da parte del veicolo. Questo consentirà quindi di gestire il funzionamento del convertitore sia nelle fasi di scarica che in quelle di rigenerazione (regenerative braking). Al convertitore, è stato introdotto anche un controllo adattivo per la ricerca del dead-time ottimo dei segnali di pilotaggio dei transistor.

Sviluppo di un AR wearable device per il settore Automotive ricaricato tramite le vibrazioni del telaio

In questo elaborato di tesi vengono presentati la ricerca e il lavoro che hanno portato all’ideazione e sviluppo di CirculAR. CirculAR consiste in un dispositivo per la realtà aumentata, che assiste i conducenti di veicoli a due ruote, quali biciclette, monopattini e motocicli, proiettandogli informazioni utili per una guida in sicurezza. L’energia che alimenta il dispositivo per la realtà aumentata viene generata, in modo sostenibile, dalla conversione in energia elettrica dell’energia cinetica ottenuta dalle vibrazioni che si scaricano al telaio, originate dal contatto tra manto stradale e veicolo stesso. Il sistema - prodotto è composto, infatti, da due dispositivi differenti, un wearable device e un generatore elettrico, che cooperano per il raggiungimento di una Realtà Aumentata più sostenibile ed innovativa. Per lo sviluppo di CirculAR sono state prese in considerazione tecnologie innovative ad oggi oggetto di grande ricerca e interesse scientifico; per questo studio in particolare, si è deciso di conciliare queste tecnologie con una progettazione mirata alla semplificazione ed alla specializzazione dei singoli componenti per garantirne un generale livello di forte innovazione tecnologica ed, al contempo, una riduzione del costo complessivo di vendita del prodotto. Il connubio di queste tecnologie ha permesso di realizzare due dispositivi innovativi sia da un punto di vista tecnologico che da un punto di vista della sostenibilità, che possono rappresentare un modello per una futura generazione di wearable device sostenibile.

Lifetime Modeling of SiC Power Modules in Automotive Traction Inverters

This thesis presents a model-based software implementation for the estimation of the damage of a power module inside and automotive traction inverter with few hardware test setup performed to support the simulation with real-life data.

Progetto per il monitoraggio e l'assistenza alla guida in contesti automotive

Nel panorama dell’automotive negli ultimi decenni si sono moltiplicate le normative nazionali, europee e mondiali per ridurre l'impatto socio-economico derivato dall’alto numero di sinistri stradali. Dall’analisi dei dati è emerso che una delle cause più impattanti dei sinistri è la distrazione: sono stati estrapolati i fattori che la inducono e raggruppati nelle macro-categorie di disattenzione, inattenzione, sonnolenza e stati mentali alterati. TESSA (Tecnology EEG Safety System Automotive) propone un approccio di assistenza alla guida che sfrutta le onde cerebrali del conducente, costantemente monitorate da un auricolare EEG, rileva fattori problematici e interviene con un’assistenza vocale considerando reazioni e necessità dell’utente, gravità della problematica e tempo di reazione necessario. Interagendo con il conducente TESSA sfrutta le tecnologie disponibili per comunicare il pericolo e condurre l’utente verso un’adeguata ripresa della guida. Il progetto è stato sviluppato considerando un target con un alto impatto sulla quantità dei sinistri stradali e che ricoprisse un notevole ruolo sociale: la fascia d’età più idonea su cui intervenire è 18-25 anni, un target ancora inesperto alla guida e adatto a recepire e promuovere lo scenario dell’automotive in veloce trasformazione verso un futuro sempre più orientato alla prevenzione e alla connettività. Seppur lo studio del concept sia rivolto principalmente a una popolazione giovanile TESSA è in grado di adattarsi a qualsiasi fascia d’età perché progettata per soddisfare le necessità del singolo conducente e della singola problematica, e può guidarlo nella ripresa del controllo della guida intervenendo al variare delle onde cerebrali. L’approccio di intervento mediato con l’assistenza vocale permette all’utente di mantenere il controllo del veicolo: TESSA non sostituisce il conducente ma mira a renderlo consapevole del rischio di pericolo e pronto a intervenire in prima persona in modo cosciente e adeguato.

Caratterizzazione a flessione di materiali compositi per impiego automotive

L’introduzione dei materiali compositi all’interno dell’ambiente industriale ha modificato l’idea di progettazione delle strutture, permettendo il raggiungimento di eccellenti prestazioni difficilmente ottenibili con materiali classici. Grazie all’uso dei compositi si sono ottenute elevata resistenza e leggerezza, caratteristiche di grande interesse nell’industria aerospaziale, delle costruzioni civili e soprattutto del settore automobilistico. Il materiale composito viene considerato oggigiorno un materiale innovativo del quale non si conoscono in modo esaustivo tutte le caratteristiche. Da questa premessa è nata la campagna sperimentale di questa tesi, il cui scopo è la definizione della sequenza di laminazione per la realizzazione della molla posteriore per la sospensione del prototipo da competizione Emilia5, del team Onda Solare. Si è ricercata la configurazione che conferisse una rigidità flessionale maggiore rispetto a quelle campionate. Si è proceduto, quindi, allo studio delle possibili sequenze di laminazione con cui realizzare la molla e sono stati creati i provini utilizzando CFRP unidirezionale, materiale caratterizzato da un’elevata resistenza lungo l’asse longitudinale. I 5 provini realizzati si differenziano principalmente per le metodologie di sovrapposizione delle lamine contigue e per i materiali utilizzati. Sui provini realizzati è stata eseguita una caratterizzazione mediante prova di flessione in tre punti, dalla quale sono stati ricavati i dati necessari alla successiva analisi delle proprietà. Infine, con i risultati ottenuti si è proceduto alla determinazione della sequenza di laminazione ottimale per la realizzazione del prototipo.

Progettazione di un veicolo a guida automatica per linee di assemblaggio automotive

Questa tesi tratta la progettazione meccanica di un prototipo di veicolo a guida automatica (AGV). A partire dallo studio dello stato dell'arte e da considerazioni dinamiche su stabilità in frenata/accelerazione/curva si è definita la geometria di base. E' poi seguita la progettazione dei vari gruppi che compongono il veicolo, accompagnata dalle necessarie verifiche strutturali.

Development of a flow through photo-reactor to study degradation of organic compounds by Sequential Injection Analysis (SIA)

This work describes a photo-reactor to perform in line degradation of organic compounds by photo-Fenton reaction using Sequential Injection Analysis (SIA) system. A copper phthalocyanine-3,4',4²,4²¢-tetrasulfonic acid tetrasodium salt dye solution was used as a model compound for the phthalocyanine family, whose pigments have a large use in automotive coatings industry. Based on preliminary tests, 97% of color removal was obtained from a solution containing 20 µmol L-1 of this dye.

Evaluation technique for determining wheel performance in the grinding of aerospace materials

Nickel-based super alloys are used in a variety of applications in which high-temperature strength and resistance to creep, corrosion, and oxidation are required, such as in aircraft gas turbines, combustion chambers, and automotive engine valves. The properties that make these materials suitable for these applications also make them difficult to grind. Grinding systems for such materials are often built around vitrified cBN (cubic boron nitride) wheels to realize maximum productivity and minimum cost per part. Conditions that yield the most economical combination of stock removal rate and wheel wear are key to the successful implementation of the grinding system. Identifying the transition point for excessive wheel wear is important. The aim of this study is to compare the performance of different cBN wheels when grinding difficult-to-grind (DTG) materials by determining the 'wheel wear characteristic curve', which correlates the G-ratio to the calculated tangential force per abrasive grain. With the proposed methodology, a threshold force per grit above which the wheel wear rate increases rapidly can be quickly identified. A comparison of performance for two abrasive product formulations in the grinding of three materials is presented. The obtained results can be applied for the development of grinding applications for DTG materials.

Importance of considering a material micro-failure criterion in the numerical modelling of the shot peening process applied to parabolic leaf springs

Shot peening is a cold-working mechanical process in which a shot stream is propelled against a component surface. Its purpose is to introduce compressive residual stresses on component surfaces for increasing the fatigue resistance. This process is widely applied in springs due to the cyclical loads requirements. This paper presents a numerical modelling of shot peening process using the finite element method. The results are compared with experimental measurements of the residual stresses, obtained by the X-rays diffraction technique, in leaf springs submitted to this process. Furthermore, the results are compared with empirical and numerical correlations developed by other authors.

Evaluation of gastrointestinal motility in awake rats: a learning exercise for undergraduate biomedical students

Souza MA, Souza MH, Palheta RC Jr, Cruz PR, Medeiros BA, Rola FH, Magalhaes PJ, Troncon LE, Santos AA. Evaluation of gastrointestinal motility in awake rats: a learning exercise for undergraduate biomedical students. Adv Physiol Educ 33: 343-348, 2009; doi: 10.1152/advan.90176.2008.-Current medical curricula devote scarce time for practical activities on digestive physiology, despite frequent misconceptions about dyspepsia and dysmotility phenomena. Thus, we designed a hands-on activity followed by a small-group discussion on gut motility. Male awake rats were randomly submitted to insulin, control, or hypertonic protocols. Insulin and control rats were gavage fed with 5% glucose solution, whereas hypertonic-fed rats were gavage fed with 50% glucose solution. Insulin treatment was performed 30 min before a meal. All meals (1.5 ml) contained an equal mass of phenol red dye. After 10, 15, or 20 min of meal gavage, rats were euthanized. Each subset consisted of six to eight rats. Dye recovery in the stomach and proximal, middle, and distal small intestine was measured by spectrophotometry, a safe and reliable method that can be performed by minimally trained students. In a separate group of rats, we used the same protocols except that the test meal contained (99m)Tc as a marker. Compared with control, the hypertonic meal delayed gastric emptying and gastrointestinal transit, whereas insulinic hypoglycemia accelerated them. The session helped engage our undergraduate students in observing and analyzing gut motor behavior. In conclusion, the fractional dye retention test can be used as a teaching tool to strengthen the understanding of basic physiopathological features of gastrointestinal motility.