Modellazione e simulazione di sistemi meccanici ad elevato numero di gradi di libertà mediante metodi non convenzionali e sistemi CAD

Recent developments in piston engine technology have increased performance in a very significant way. Diesel turbocharged/turbo compound engines, fuelled by jet fuels, have great performances. The focal point of this thesis is the transformation of the FIAT 1900 jtd diesel common rail engine for the installation on general aviation aircrafts like the CESSNA 172. All considerations about the diesel engine are supported by the studies that have taken place in the laboratories of the II Faculty of Engineering in Forlì. This work, mostly experimental, concerns the transformation of the automotive FIAT 1900 jtd – 4 cylinders – turbocharged – diesel common rail into an aircraft engine. The design philosophy of the aluminium alloy basement of the spark ignition engine have been transferred to the diesel version while the pistons and the head of the FIAT 1900 jtd are kept in the aircraft engine. Different solutions have been examined in this work. A first V 90° cylinders version that can develop up to 300 CV and whose weight is 30 kg, without auxiliaries and turbocharging group. The second version is a development of e original version of the diesel 1900 cc engine with an optimized crankshaft, that employ a special steel, 300M, and that is verified for the aircraft requirements. Another version with an augmented stroke and with a total displacement of 2500 cc has been examined; the result is a 30% engine heavier. The last version proposed is a 1600 cc diesel engine that work at 5000 rpm, with a reduced stroke and capable of more than 200 CV; it was inspired to the Yamaha R1 motorcycle engine. The diesel aircraft engine design keeps the bore of 82 mm, while the stroke is reduced to 64.6 mm, so the engine size is reduced along with weight. The basement weight, in GD AlSi 9 MgMn alloy, is 8,5 kg. Crankshaft, rods and accessories have been redesigned to comply to aircraft standards. The result is that the overall size is increased of only the 8% when referred to the Yamaha engine spark ignition version, while the basement weight increases of 53 %, even if the bore of the diesel version is 11% lager. The original FIAT 1900 jtd piston has been slightly modified with the combustion chamber reworked to the compression ratio of 15:1. The material adopted for the piston is the aluminium alloy A390.0-T5 commonly used in the automotive field. The piston weight is 0,5 kg for the diesel engine. The crankshaft is verified to torsional vibrations according to the Lloyd register of shipping requirements. The 300M special steel crankshaft total weight is of 14,5 kg. The result reached is a very small and light engine that may be certified for general aviation: the engine weight, without the supercharger, air inlet assembly, auxiliary generators and high pressure body, is 44,7 kg and the total engine weight, with enlightened HP pump body and the titanium alloy turbocharger is less than 100 kg, the total displacement is 1365 cm3 and the estimated output power is 220 CV. The direct conversion of automotive piston engine to aircrafts pays too huge weight penalties. In fact the main aircraft requirement is to optimize the power to weight ratio in order to obtain compact and fast engines for aeronautical use: this 1600 common rail diesel engine version demonstrates that these results can be reached.

Sviluppo e validazione di un modello di film fluido per simulazioni CFD di motori a combustione interna

A wall film model has been implemented in a customized version of KIVA code developed at University of Bologna. Under the hypothesis of `thin laminar ow' the model simulates the dynamics of a liquid wall film generated by impinging sprays. Particular care has been taken in numerical implementation of the model. The major phenomena taken into account in the present model are: wall film formation by impinging spray; body forces, such as gravity or acceleration of the wall; shear stress at the interface with the gas and no slip condition on the wall; momentum contribution and dynamic pressure generated by the tangential and normal component of the impinging drops; film evaporation by heat exchange with wall and surrounding gas. The model doesn't consider the effect of the wavy film motion and suppose that all the impinging droplets adhere to the film. The governing equations have been integrated in space by using a finite volume approach with a first order upwind differencing scheme and they have been integrated in time with a fully explicit method. The model is validated using two different test cases reproducing PFI gasoline and DI Diesel engine wall film conditions.

Struttura e distorsioni del processo decisionale nella dinamica competitiva

Nel mondo reale il comportamento umano si rivela essere fallace e distorto, sia a livello individuale che ambientale. L'organizzazione a sua volta non è esente da tali limiti; composta da esseri umani, interagisce con l'ambiente in modo fortemente soggettivo, basandosi sull'intuizione, su informazioni di breve periodo e senza riuscire a comprenderlo pienamente. Il presente lavoro di tesi si occupa di esplorare un ambiente di mercato, in presenza di organizzazioni caratterizzate da un processo decisionale fortemente soggettivo. Tramite alcuni esperimenti su un modello di simulazione, saranno studiate le interazioni delle organizzazioni con l'ambiente. L'obiettivo è quello di ottenere una migliore comprensione del comportamento delle organizzazioni nella dinamica competitiva, soprattutto in relazione a ciò che può garantire un vantaggio competitivo.

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.

Sviluppo di metodologie per la Stima in Tempo Reale delle Grandezze Indicate in Motori a Combustione Interna

Modern Internal Combustion Engines are becoming increasingly complex in terms of their control systems and strategies. The growth of the algorithms’ complexity results in a rise of the number of on-board quantities for control purposes. In order to improve combustion efficiency and, simultaneously, limit the amount of pollutant emissions, the on-board evaluation of two quantities in particular has become essential; namely indicated torque produced by the engine and the angular position where 50% of fuel mass injected over an engine cycle is burned (MFB50). The above mentioned quantities can be evaluated through the measurement of in-cylinder pressure. Nonetheless, at the time being, the installation of in-cylinder pressure sensors on vehicles is extremely uncommon mainly because of measurement reliability and costs. This work illustrates a methodological approach for the estimation of indicated torque and MFB50 that is based on the engine speed fluctuation measurement. This methodology is compatible with the typical on-board application restraints. Moreover, it requires no additional costs since speed can be measured using the system already mounted on the vehicle, which is made of a magnetic pick-up faced to a toothed wheel. The estimation algorithm consists of two main parts: first, the evaluation of indicated torque fluctuation based on speed measurement and secondly, the evaluation of the mean value of the indicated torque (over an engine cycle) and MFB50 by using the relationship with the indicated torque harmonic and other engine quantities. The procedure has been successfully applied to an L4 turbocharged Diesel engine mounted on-board a vehicle.

Affidabilità dell'isolamento di spira di motori alimentati da convertitori di potenza: Valutazione dello stress e verifiche sperimentali

Il testo propone uno studio dell'affidabiltà dell'isolamento di spira per macchine elettriche rotanti, aventi sistema isolante di tipo II, alimentate mediante convertitori di potenza. In particolare vengono descritte le prove di vita accelerate svolte al variare del tempo di salita della tensione, le simulazione effettuate con il metodo degli elementi finiti ed un metodo analitico utilizzato per uniformare lo stress all'interno degli avvolgimenti di statore.

Definizione e validazione di un modello elettromeccanico per l'ottimizzazione dei servomeccanismi nelle macchine automatiche

In questo lavoro viene mostrato come costruire un modello elettromeccanico per il sistema costituito da motore elettrico-riduttore-trasmissione-carico. Il modello è progettato per essere implementato su software di simulazione. Sono illustrati aspetti relativi ai componenti del sistema, alla dinamica dei meccanismi, a modelli di perdite elettriche nei motori ed alle modalità di costruizione del software di simulazione. Sono infine mostrati i risultati di alcune simulazioni.

Analisi e simulazione di un sistema per la misura sperimentale del dipolo magnetico residuo di micro-satelliti

La dinamica dell'assetto di un satellite artificiale rappresenta uno degli aspetti più delicati della missione che esso stesso andrà a svolgere in orbita attorno ad un qualche corpo celeste, quale appunto il pianeta Terra. Il seguente lavoro di tesi si propone di analizzare la causa di una delle principali componenti di disturbo dell'assetto appena menzionato, preponderante per satelliti dalle piccole dimensioni, fornendo la spiegazione, validata attraverso una simulazione, della messa a punto di un metodo sperimentale per la valutazione della stessa. La componente in questione è la coppia di disturbo magnetica, ed è generata dall'interazione tra il campo magnetico terrestre ed il cosiddetto 'dipolo magnetico residuo' del satellite stesso, ossia quel campo magnetico che esso, in modalità operativa e non, risulta generare a causa del materiale ferromagnetico presente al suo interno, e delle correnti elettriche circolanti nei vari cavi conduttori. Ci si è dunque occupati dell'analisi e messa a punto di un metodo che possa consentire sperimentalmente di rilevare l'entità del dipolo residuo. Il lavoro di simulazione è stato svolto prendendo in considerazione le dimensioni e le possibili caratteristiche del dipolo residuo del micro-satellite ESEO (European Student Earth Orbiter), sviluppato da studenti di diverse università europee ed ora in fase di progetto dettagliato (fase C) presso i laboratori dell'azienda ALMASpace S.r.l. di Forlì. Il metodo in esame consiste nel rilevare il campo magnetico generato dal satellite, posto all'interno di un sistema tridimensionale di bobine di Helmholtz per avere una zona libera da campi magnetici esterni. Il rilevamento del dipolo avviene per mezzo di un magnetometro a tre assi, e dalla suddetta misura si può pervenire alla conoscenza delle componenti del dipolo stesso, quali posizione, orientamento ed intensità; siccome però la misura del magnetometro non è ideale, ma risulta affetta da errori, per una più corretta caratterizzazione del dipolo è necessario utilizzare un numero maggiore di magnetometri (oppure, il che è lo stesso, un unico magnetometro spostato mano a mano) in punti diversi attorno al satellite in modo da avere più misure di campo magnetico e poter così sfruttare una procedura numerica di ottimizzazione per risalire alle componenti del dipolo. Questa intera parte di calcolo è stata realizzata in MatLab®, simulando quindi le misure ottenute dai magnetometri, 'sporcandole' con i predetti errori, ed utilizzando le funzioni di minimizzazione lsqnonlin ed fmincon per verificare la funzionalità del sistema; si sono infatti analizzati i grafici rappresentanti i livelli di errore commessi dall'algoritmo di stima sulle varie componenti del dipolo, per le tipologie di errore dei magnetometri menzionate in precedenza. Si è così cercato di suggerire una configurazione ottimale di magnetometri in grado di fornire una stima caratterizzata da un buon compromesso tra numero di magnetometri da utilizzare non troppo elevato ed errore derivante accettabile.

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.

Applicazione di un modello zero-dimensionale per la simulazione della detonazione

L’elaborato affronta la tematica della detonazione nel motore a combustione interna, al fine di individuare un modello che sia in grado di riprodurre il fenomeno in modo accurato, con la prospettiva di un uso a scopo predittivo. A tal proposito vengono presentati modelli basati su svariate metodologie: in particolar modo, accanto ai metodi basati sulle grandezze direttamente o indirettamente misurabili del motore ad accensione comandata, vengono presentati un metodo basato sull’applicazione delle reti neurali, una metodologia di controllo basata sull’approccio True Digital Control, e due metodi che si avvalgono di procedimenti di tipo puramente statistico (metodo dei minimi quadrati e metodo Monte Carlo) per ricavare alcune delle grandezze fondamentali per il calcolo della detonazione. Successivamente, dopo una breve parentesi sulle simulazioni di tipo 3D, vengono introdotti i modelli fisici zero-dimensionali. Uno di questi, basato su un indice (definito dal simbolo Kn) capace di dare una valutazione quantitativa del fenomeno, viene applicato ad un insieme di dati sperimentali provenienti dai test al banco di un motore Ducati 1200. I risultati dell’analisi vengono confrontati con le evidenze sperimentali, sottolineando la buona rispondenza delle simulazioni ad essi e di conseguenza la potenzialità di tali metodi, computazionalmente non onerosi e di rapida applicazione.

Simulazione della bradicinesia in soggetti parkinsoniani attraverso modello neurale

I Gangli della Base svolgono un ruolo molto importante nel movimento volontario, ovvero nel meccanismo di azione-selezione, e la loro influenza è evidente soprattutto in alcune patologie che ancora ad oggi sono in fase di studio: una di queste è il Morbo di Parkinson. I Gangli della Base comprendono quattro formazioni nervose: lo striato, il globus pallidus, la substantia nigra e il nucleo subtalamico: essi ricevono le principali afferenze dalla corteccia cerebrale ed inviano le principali efferenze al tronco dell’encefalo, e, per mezzo del talamo, alle corteccia prefrontale, premotoria e motrice. A differenza della maggior parte delle altre componenti dei sistemi motori, i Gangli della Base non stabiliscono direttamente né connessioni afferenti, né efferenti con il midollo spinale. Il compito principale svolto dai Gangli dDella Base è la selezione di un’azione: esso permette ad un’azione di essere selezionata rispetto ad un’altra, che in questo modo viene inibita. La descrizione dell’anatomia, dei meccanismi fisiologici e del Morbo di Parkinson è trattata nel Capitolo 1. In questo elaborato è utilizzato il modello computazionale di Mauro Ursino e Chiara Baston, che sarà illustrato dettagliatamente nel Capitolo 2, riguardante il meccanismo di azione-selezione svolto dai Gangli della Base. E’ descritto un sistema di valutazione di un paziente parkinsoniano, il tapping test: esso consiste in un movimento alternato del dito e ad oggi risulta essere uno dei metodi più semplici per ottenere informazioni sulla gravità della bradicinesia. L’obiettivo di questo lavoro è quello di comprendere, tramite l’analisi di simulazioni effettuate per mezzo del modello computazionale di Mauro Ursino e Chiara Baston, come la frequenza di tapping dipenda dal variare di alcuni parametri delle equazioni del modello: gli effetti dovuti alla variazione di un singolo parametro o più di uno, saranno mostrati nel Capitolo 3.

Ottimizzazione di una testata per un motore diesel aeronautico

In questo elaborato di tesi ci si è occupati di riprogettare la testata del motore bicilindrico Twin Air del gruppo Fiat. La testata viene ridisegnata al fine di poter destinare questo motore, particolarmente leggero flessibile e dai bassi consumi, ad un uso aeronautico. In questa tesi si è appunto realizzata una nuova testata inserendovi 3 valvole, due di aspirazione e una di scarico, e 2 iniettori per cilinrdo. Una volta completato il disegno sono stati realizzati diversi test attraverso un software di simulazione. In particolare ci si è accertati che la camera di combustione realizzata possa resistere alle alte pressioni e temperature in gioco e che i fluidi scorrano al meglio all'interno dei condotti. Si sono utilizzati i risultati ottenuti per riprogettare iterattivamente la testa ed arrivare a un risultato finale soddisfacente.

Implementazione e validazione di un modello di accensione per motori a combustione interna

Nell'ambito dei motori ad accensione comandata, la comprensione del processo di accensione e delle prime fasi di sviluppo del kernel è di primaria importanza per lo studio dell'intero processo di combustione, dal momento che questi determinano lo sviluppo successivo del fronte di fiamma. Dal punto di vista fisico, l'accensione coinvolge un vasto numero di fenomeni di natura molto complessa, come processi di ionizzazione e passaggio di corrente nei gas: molti di questi avvengono con tempi caratteristici che ne impediscono la simulazione tramite le attuali tecniche CFD. Si rende pertanto necessario sviluppare modelli semplificati che possano descrivere correttamente il fenomeno, a fronte di tempi di calcolo brevi. In quest'ottica, il presente lavoro di tesi punta a fornire una descrizione accurata degli aspetti fisici dell'accensione, cercando di metterne in evidenza gli aspetti principali e le criticità. A questa prima parte di carattere prettamente teorico, segue la presentazione del modello di accensione sviluppato presso il DIN dell'Università di Bologna dal Prof. Bianche e dall'Ing. Falfari e la relativa implementazione tramite il nuovo codice CONVERGE CFD: la validazione è infine condotta riproducendo un caso test ben noto il letteratura, che mostrerà un buon accordo tra valori numerici e sperimentali a conferma della validità del modello.

Diesel bus emissions of submicrometer particles measured in a tunnel study

The emission factors of a bus fleet consisting of approximately three hundreds diesel powered buses were measured in a tunnel study under well controlled conditions during a two-day monitoring campaign in Brisbane. The number concentration of particles in the size range 0.017-0.7 m was monitored simultaneously by two Scanning Mobility Particle Sizers located at the tunnel’s entrance and exit. The mean value of the number emission factors was found to be (2.44±1.41)×1014 particles km-1. The results are in good agreement with the emission factors determined from steady-state dynamometer testing of 12 buses from the same Brisbane City bus fleet, thus indicating that when carefully designed, both approaches, the dynamometer and on-road studies, can provide comparable results, applicable for the assessment of the effect of traffic emissions on airborne particle pollution.