Studio numerico dell’effetto dell’iniezione d’acqua sul rischio di detonazione di motori GDI ad alta potenza specifica

Nel contesto motoristico odierno, in cui le normative sulle emissioni sono sempre più stringenti, il costo dei carburanti è in costante rialzo e il diffondersi della consapevolezza che l’inquinamento prodotto dall’uomo ha alterato irreversibilmente il delicato equilibrio climatico, ha spinto i legislatori verso l’introduzione di norme sempre più stringenti per quanto riguarda le emissioni massime consentite ai motori ad accensione comandata. Questo ha portato alla ricerca di strategie che permettessero di proporre motori più efficienti mantenendo al contempo elevati livelli prestazionali. Il presente lavoro ha voluto meglio delineare le potenzialità e criticità di un sistema di iniezione d’acqua diretto studiandone gli effetti sul ciclo medio di combustione di un motore GDI ad alta potenza specifica alimentato con miscela stechiometrica. La metodica di ricerca è stata di tipo numerico tramite l’adozione di simulazioni CFD tridimensionali. Dopo una prima fase di studio per determinare la miglior combinazione di timing e pressione di iniezione in grado di portare i migliori benefici sotto l’aspetto termo-fluidodinamico nel motore in esame, si è analizzata la fase di combustione, realizzata con diversi anticipi e per quantitativi variabili d’acqua iniettata, procedendo poi al confronto con i risultati di combustione in condizioni di miscela ricca e assenza di acqua, rappresentativa delle condizioni di funzionamento attuali, al fine di individuare la minima massa d’acqua necessaria all’ottenimento delle medesime prestazioni. Si è proceduto poi a ricercare la massima prestazione tramite l’adozione di elevate pressioni d'iniezione, tali da permettere l’impiego di consistenti masse d’acqua. Infine, si sono indagati gli effetti dell’iniezione d’acqua al crescere del rapporto di compressione.

Valutazione delle potenzialità dell'iniezione d'acqua nei motori GDI di ultima generazione

L'industria automobilistica sta assistendo ad un importante cambiamento verso motorizzazioni con cilindrata unitaria minore, turbocompressi, e con iniezione diretta in camera, a causa delle normative sempre più stringenti sull'emissione di inquinanti allo scarico, inclusa la CO2 per ragioni legate all'effetto serra ed al contenimento dei consumi di fonti energetiche non rinnovabili. I motori turbocompressi lavorano con una pressione media effettiva maggiore, con conseguenti maggiori pressioni e temperature in camera, che di fatto aumentano il rischio di insorgenza di eventi di combustione anomale come pre-accensione e detonazione. Questo porta ad utilizzare il motore con angoli sub-ottimali di anticipo di accensione e con arricchimento della miscela per diminuire le temperature dei gas in ingresso alla turbina. Queste strategie non sono più compatibili con le nuove regolamentazioni, in quanto superano i limiti imposti di emissioni e consumo specifico in cicli reali di utilizzo su strada. Tra le varie possibili soluzioni, l'iniezione d'acqua è una tecnologia già conosciuta, che permette un controllo della tendenza alla detonazione. Il principio consiste nella riduzione della temperatura della carica grazie all'elevato calore latente di vaporizzazione della massa d'acqua iniettata. In questo lavoro sono stati valutati entrambi i layout di iniezione d'acqua, nel condotto e in camera di combustione, in due punti motore: massima potenza e massima coppia. La metodica di ricerca è stata di tipo numerico tramite l'utilizzo di simulazioni tridimensionali CFD a partire da una metodologia basata su modelli fisici solidamente validati. Il software commerciale utilizzato è stato AVL FIRE, che permette di manipolare in modo agevole i risultati sia al suo interno, sia tramite ambienti di calcolo esterno.

Progettazione, ottimizzazione e sviluppo di un sistema WOPI (Water Out Pressure In) per airbox

Un airbox deve fornire al motore sia aria pura, ovvero priva di particelle estranee (motivo per cui al suo interno viene collocato un elemento filtrante), che priva di gocce d’acqua, la cui presenza è possibile sia a causa della condensazione dell’umidità dell’aria aspirata, sia, in volume anche maggiore, in caso di pioggia, aspetto su cui si focalizzerà questo elaborato. Attualmente, per eliminare la presenza di queste particelle d’acqua, vengono praticati fori, più o meno grandi, sulla parete dell’airbox. Questa semplice tecnica, permette di eliminarla, ma causa anche una depressurizzazione. Per contrastare questo fenomeno, è già noto l’utilizzo di condotti elastici, normalmente chiusi o semichiusi, che, nel frattempo, permettono la lenta discesa gravitazionale dell’acqua. Questo sistema, però, non è in grado di sigillare il foro di scolo, provocando quindi anch’esso un calo della pressurizzazione del box. Inoltre, esso potrebbe intasarsi, rendendo inefficace lo scolo. In più, nel tempo, potrebbe sopraggiungere una perdita di elasticità, causando un peggioramento della funzionalità. Scopo del WOPI è eliminare tutti i precedenti inconvenienti nel modo più efficiente possibile.

Effective procedure for the optimization of the linear controller in an industrial drive for a nonlinear mechanism

Il progetto di tesi è incentrato sull’ottimizzazione del procedimento di taratura dei regolatori lineari degli anelli di controllo di posizione e velocità presenti negli azionamenti usati industrialmente su macchine automatiche, specialmente quando il carico è ad inerzia variabile in dipendenza dalla posizione, dunque non lineare, come ad esempio un quadrilatero articolato. Il lavoro è stato svolto in collaborazione con l’azienda G.D S.p.A. ed il meccanismo di prova è realmente utilizzato nelle macchine automatiche per il packaging di sigarette. L’ottimizzazione si basa sulla simulazione in ambiente Matlab/Simulink dell’intero sistema di controllo, cioè comprensivo del modello Simulink degli anelli di controllo del drive, inclusa la dinamica elettrica del motore, e del modello Simscape del meccanismo, perciò una prima necessaria fase del lavoro è stata la validazione di tali modelli affinché fossero sufficientemente fedeli al comportamento reale. Il secondo passo è stato fornire una prima taratura di tentativo che fungesse da punto di partenza per l’algoritmo di ottimizzazione, abbiamo fatto ciò linearizzando il modello meccanico con l’inerzia minima e utilizzando il metodo delle formule di inversione per determinare i parametri di controllo. Già questa taratura, seppur conservativa, ha portato ad un miglioramento delle performance del sistema rispetto alla taratura empirica comunemente fatta in ambito industriale. Infine, abbiamo lanciato l’algoritmo di ottimizzazione definendo opportunamente la funzione di costo, ed il risultato è stato decisamente positivo, portando ad un miglioramento medio del massimo errore di inseguimento di circa il 25%, ma anche oltre il 30% in alcuni casi.

Analisi del tempo di reazione dei conducenti dei veicoli con metodologie innovative: l'influenza del sistema Adaptive Cruise Control

La presente tesi si pone l’obiettivo di studiare e comprendere l’influenza che i sistemi di assistenza alla guida (ADAS – Advanced Driver Assistance Systems), installati negli autoveicoli di nuova generazione, hanno sulla condotta di guida degli automobilisti, con particolare attenzione alla distrazione ed al workload che essi provocano. Punto centrale dell’analisi è il sistema Adaptive Cruise Control (ACC) che permette al guidatore del veicolo sia di mantenere una velocità di marcia costante sia di rilevare, tramite sensoristica, i veicoli che lo precedono, intervenendo sul sistema frenante e sulla centralina di controllo del motore, così da garantire il mantenimento della distanza di sicurezza selezionata. Lo studio, attraverso l’utilizzo di tecniche innovative, si sofferma, in particolare, sull’analisi del comportamento di guida dei conducenti a bordo di un veicolo dotato di Adaptive Cruise Control. Il fine della ricerca è quello di determinare se e quanto il sistema ACC influisca sul conducente in termini di carico di lavoro cognitivo e fisico e di livelli d’attenzione, concentrandosi sulla valutazione del tempo di reazione con sistema acceso o spento.

Sviluppo di un modello numerico per la previsione della diluizione del film di lubrificante sulle pareti dei cilindri di motori

L'evoluzione dei motori ad accensione comandata, a fronte di una richiesta di mini- mizzazione delle emissioni di CO2 e la necessità di mantenere un target di potenza e guidabilità unitamente a consumi sempre inferiori, ha portato allo sviluppo di motori più piccoli a maggiore densità di potenza. Con l'introduzione dei motori downsized, le ridotte dimensioni della camera di combustione in congiunzione alla soluzione dell'iniezione diretta, hanno creato le condizioni per le quali un certo quantitativo di combustibile (e/o acqua nel caso della water injection) va ad impattare a parete interagendo con lo strato di olio lubrificante. Vista l'importanza del lubrificante nel cilindro motore e le conseguenze del suo inquinamento o trasporto sul funzionamento dello stesso, si rende necessario uno studio di dettaglio sul fenomeno dell'impatto. Il seguente lavoro di tesi consiste nello sviluppo di un modello monodimensionale per l'analisi numerica dell'interazione tra due uidi mono o multi componenti, che permetta di stimare la variazione di composizione e l'evoluzione delle grandezze ter- modinamiche del sistema binario valutando le sue possibili condizioni al contorno a seconda dell'applicazione. Ad esempio nel caso della camera di un MCI, le condizioni al contorno del sistema binario possono essere rappresentate dagli scambi con uno strato solido (rappresentativo del cilindro) da una parte e con uno strato gassoso (rappresentativo della miscela in formazione in camera) dall'altro.

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.

Valutazione della applicazione del ciclo Miller a motori a benzina ad iniezione diretta ad alta potenza specifica

Negli ultimi decenni nuove e sempre più restrittive normative antiinquinamento son state introdotte nei paesi maggiormente industrializzati dettando un aumento degli sforzi progettuali imposti all’industria automobilistica per cercare di contenere l’impatto ambientale esercitato dai motori a combustione interna. E’ evidente quindi l’importanza di possedere una profonda conoscenza dei fenomeni fisici e chimici che influenzano i processi di combustione così come avere a disposizione modelli quanto più accurati per la loro corretta rappresentazione tramite CFD. Per i motori ad accensione comandata gli studi si sono focalizzati sulla ricerca dell’efficienza evitando di incorrere in rischi di detonazione. Numerose sono le tecnologie che permettono di assolvere alle funzioni richieste, tra le più affermate vi sono i sistemi a fasatura variabile, in particolare le strategie che prendono il nome di ciclo Miller. Tale sistema, implementabile facilmente senza l’utilizzo di alcun sistema aggiuntivo, permette di ridurre sensibilmente temperature e pressioni in camera. Il seguente lavoro di tesi studierà, attraverso simulazione numerica tridimensionale condotta con software CONVERGE®, gli aspetti fisici e fluidodinamici indotti dalle diverse strategie REF, EIVC e LIVC applicate ad un motore GDI con tecnologia downsizing e turbocharging (modellato in ambiente CAD, tramite PTC CREO®). Successivamente, allo stesso motore, saranno apportate modifiche progettuali con lo scopo di comprendere in che modo un aumento di un punto del rapporto di compressione, che equivale a spostarsi verso zone a prestazioni più elevate, impatti sull’entità di pressione, temperatura e comportamento fluidodinamico e fisico a pari condizioni operative e di alzata. L’analisi ed il confronto con gli altri casi sancirà se questa nuova configurazione possa essere accettabile o rischiosa ai fini della detonazione.

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.

Studio dell'effetto dell'iniezione di acqua diretta in motori GDI mediante simulazioni CFD

L’introduzione di normative antinquinamento sempre più stringenti ha costretto le case automobilistiche a progettare motori sempre più efficienti e puliti, sviluppando propulsori downsized sovralimentati sottoposti a notevoli sollecitazioni termomeccaniche. L’iniezione di acqua è una tecnologia innovativa che sfrutta il calore latente di evaporazione dell’acqua per raffreddare la carica, allontanando il rischio di detonazione nei motori ad accensione comandata. Essa punta a sostituire l’attuale arricchimento della miscela nei punti di funzionamento critici, in modo da diminuire i consumi di carburante e contenere le emissioni di CO, sottoposte nel prossimo futuro a limitazioni più stringenti nei cicli di omologazione RDE. Il presente lavoro di tesi ha voluto indagare, tramite simulazioni CFD, gli effetti dell’iniezione diretta di acqua su un motore GDI sovralimentato, modellato virtualmente. Le simulazioni hanno coinvolto dapprima le fasi di aspirazione e compressione, valutando l’effetto di raffreddamento sulla carica, la dinamica di evaporazione dell’acqua immessa e l’interazione sia con la dinamica dell’aria all’interno del cilindro, sia con la miscelazione aria-combustibile. Presi come riferimento i casi con λ1 e λ0,75 senz’acqua, l’analisi è iniziata quindi valutando quale fosse la fasatura di iniezione ottimale ed è proseguita analizzando gli effetti di due sistemi di iniezione a 50 bar e 150 bar al variare della quantità di acqua immessa. Una volta trovati i casi migliori nelle due configurazioni, si è proceduto a simulare la combustione, verificando che i benefici ottenuti fossero sfruttati in questa importante fase. Il raffreddamento della miscela permette di aumentare gli anticipi di accensione e quindi avere sia un maggior margine alla detonazione, sia un aumento di lavoro indicato. L’acqua però, comportandosi da inerte, inibisce la propagazione della fiamma, generando combustioni molto lunghe, che influiscono negativamente sulle temperature di scarico.

Sviluppo di metodologie di simulazione avanzate per la progettazione fluidodinamica di condotti di motori endotermici alternativi

L’attuale panorama motoristico, fortemente guidato dalle normative, prevede l’implementazione di diverse tecnologie che hanno lo scopo di migliorare l’efficienza del motore e ridurre le emissioni di inquinanti e per le quali risulta necessario una corretta progettazione dei condotti di aspirazione. Lo sviluppo ottimale dei condotti risulta un compromesso tra obiettivi contrastanti e in termini matematici si tratta di un’ottimizzazione multiobiettivo. Le simulazioni CFD e gli algoritmi genetici sono stati applicati con successo allo studio di questi problemi, ma la combinazione di questi elementi risulta notevolmente dispendiosa in termini di tempo, in quanto sarebbero necessarie un alto numero di simulazioni. Per ridurre i tempi di calcolo, un set di simulazioni CFD pu`o essere pi`u convenientemente utilizzato per istruire una rete neurale, che una volta opportunamente istruita pu`o essere usata per prevedere gli output delle simulazioni in funzione dei parametri di progetto durante l’ottimizzazione con l’algoritmo genetico, operando quella che viene chiamata una ottimizzazione virtuale. In questa tesi, viene mostrata una metodologia numerica per l’ottimizzazione multi-obiettivo dei condotti di aspirazione, basata su un modello CAD a geometria variabile, le simulazioni fluidodinamiche tridimensionali e una rete neurale combinata con un algoritmo genetico.

"Razionalizzazione mediante VSM e tecniche Kaizen del flusso del valore nel processo produttivo di getti in ghisa: il caso Fonderie di Montorso S.p.a.”

La stesura del seguente elaborato di tesi è avvenuta simultaneamente all’inizio di un progetto Lean presso il plant produttivo, situato a Crevalcore (Bo), di Fonderie di Montorso Spa, azienda produttrice di getti in ghisa. Lo scopo del seguente elaborato è di descrivere l’implementazione di un progetto Lean in uno dei settori più antichi esistenti. Negli ultimi decenni, si è sentito molto parlare di Lean production in settori come quello dell’automotive ma, raramente, si sente parlare di lean thinking o kaizen in settori metalmeccanici. I processi produttivi tipici di una fonderia, infatti, sono difficilmente prevedibili e controllabili come può essere un processo di assemblaggio di componenti. Trasferire, dunque, un sistema di gestione della produzione, il Toyota Production System, nato in una linea di assemblaggio, in un settore con una grande quantità di vincoli di progettazione e produzione, è una sfida, una sfida necessaria per rispondere ad una situazione di estrema variabilità della domanda, in cui il mercato richiede i prodotti in maniera rapida e puntuale. Per rimanere, dunque, competitivi è necessario un cambiamento radicale, una rivisitazione di tutti i processi aziendali partendo dall’arrivo dell’ordine, alla spedizione dello stesso. Alla luce di ciò, nel corso della trattazione, sono state svolte analisi al fine di ridurre il Lead time di partenza da 18 a 4 settimane, ponendo molta attenzione al coinvolgimento delle persone, il vero motore del cambiamento. Le parole cardine di questo elaborato sono: standardizzazione dei processi, eliminazione dei colli di bottiglia, aumento della comunicazione tra le funzioni aziendali, prioritizzazione dei clienti e per ultimo, ma non per importanza, la valorizzazione del gemba.

Definizione di metodi di modellazione e trattamento dati per l'ottimizzazione di modelli per motori da competizione

Trattamento dati, modellazione e calibrazione di un motore da competizione

Analisi energetica al variare dello state of charge di propulsori ibridi e plug-in operanti nel ciclo WLTP con propulsore termico a punto fisso stechiometrico

Il presente lavoro propone la stesura di un codice in ambiente MATLAB per l'analisi energetica di powertrain ibridi operanti nel ciclo WLTP con il particolare funzionamento del motore termico benzina a punto fisso stechiometrico. Nello specifico, il codice prende dei dati in input tramite un'interfaccia grafica ed avvia una simulazione, i cui risultati principali corrispondono ad emissioni di anidride carbonica per chilometro percorso ed ai chilometri percorsi con un litro di carburante. Queste sono le due grandezze che questo lavoro si prefigge di ottimizzare, dalle quali proviene la scelta del particolare funzionamento del motore termico. Sono state implementate due differenti strategie di controllo, una generale ed una più particolare. La simulazione con la strategia generale è stata applicata a tre differenti scenari reali, con le caratteristiche tecniche di tre veicoli realmente esistenti che vengono inserite nell'interfaccia grafica. I risultati provenienti da queste simulazioni sono stati poi analizzati e discussi nel dettaglio, anche con l'ausilio di grafici a supporto della spiegazione. La strategia di controllo particolare non è stata applicata a scenari reali ma ha portato alla definizione di una ipotetica architettura di powertrain ibrido, alla quale la sopracitata strategia si adatta al meglio. Dopo aver proposto miglioramenti e possibili ulteriori sviluppi di questo lavoro, sono state tratte le conclusioni generali, allargando il tutto al contesto più ampio in cui si va ad inserire.

Storytelling e inclusivity

La tesi sviluppa l'analisi del rapporto tra Storytelling e Inclusivity. In particolare vengono analizzati i contesti di produzione, le tecniche di narrazione e i contenuti veicolati nei due case studies selezionati: This Is Us e The Marvelous Mrs Maisel. Viene elaborata un'analisi delle caratteristiche principali della narrazione televisiva e come essa stessa sia elemento fondante della spettacolarizzazione. In particolare, verrà studiato il format dell’episodio di sessanta minuti e come esso sia strutturato diversamente a seconda del contesto di produzione (Network-Nbc e Ott-Amazon Prime Video). Si analizza inoltre come i personaggi principali delle due serie televisive in analisi, Randall Peason per This Is Us e Midge Maisel in The Marvelous Mrs Maisel, siano il motore della nascita ed evoluzione delle trame, intrecci narrativi e tematiche sociali affrontate lungo tutte le stagioni. Vengono esplorate nello specifico le tecniche di narrazione impiegate. Si traccerà un’analisi a partire dai pilot, episodi chiave delle serie televisive, determinanti nel tracciare le regole stesse della serie e le tematiche portanti. Si osserva in che modo, in due contesti molto diversi, i rispettivi showrunner delle serie, abbiano potuto godere di una relativa libertà narrativa nella creazione dei personaggi e dei mondi finzionali. Si prendono poi in esame singolarmente le tematiche di inclusivity e representation e il rapporto con lo storytelling. Per This Is Us verrà principalmente preso in analisi il filone narrativo della racial identity di Randall Pearson, come essa si evolve nel corso delle stagioni e il rapporto tra essa e il contesto contemporaneo con il movimento BlackLivesMatter. Nel caso di The Marvelous Mrs Maisel si analizzerà il processo di decostruzione e ricostruzione del personaggio di una casalinga, moglie e madre Anni Cinquanta in una comica nel mondo stand-up prettamente maschile.