Optimal Supervisory Control of Hybrid Vehicles

Hybrid vehicles (HV), comprising a conventional ICE-based powertrain and a secondary energy source, to be converted into mechanical power as well, represent a well-established alternative to substantially reduce both fuel consumption and tailpipe emissions of passenger cars. Several HV architectures are either being studied or already available on market, e.g. Mechanical, Electric, Hydraulic and Pneumatic Hybrid Vehicles. Among the others, Electric (HEV) and Mechanical (HSF-HV) parallel Hybrid configurations are examined throughout this Thesis. To fully exploit the HVs potential, an optimal choice of the hybrid components to be installed must be properly designed, while an effective Supervisory Control must be adopted to coordinate the way the different power sources are managed and how they interact. Real-time controllers can be derived starting from the obtained optimal benchmark results. However, the application of these powerful instruments require a simplified and yet reliable and accurate model of the hybrid vehicle system. This can be a complex task, especially when the complexity of the system grows, i.e. a HSF-HV system assessed in this Thesis. The first task of the following dissertation is to establish the optimal modeling approach for an innovative and promising mechanical hybrid vehicle architecture. It will be shown how the chosen modeling paradigm can affect the goodness and the amount of computational effort of the solution, using an optimization technique based on Dynamic Programming. The second goal concerns the control of pollutant emissions in a parallel Diesel-HEV. The emissions level obtained under real world driving conditions is substantially higher than the usual result obtained in a homologation cycle. For this reason, an on-line control strategy capable of guaranteeing the respect of the desired emissions level, while minimizing fuel consumption and avoiding excessive battery depletion is the target of the corresponding section of the Thesis.

Giunzione mediante laser di materiali difficili, ibridi ed a struttura cellulare

Lo studio presentato in questa sede concerne applicazioni di saldatura LASER caratterizzate da aspetti di non-convenzionalità ed è costituito da tre filoni principali. Nel primo ambito di intervento è stata valutata la possibilità di effettuare saldature per fusione, con LASER ad emissione continua, su pannelli Aluminum Foam Sandwich e su tubi riempiti in schiuma di alluminio. Lo studio ha messo in evidenza numerose linee operative riguardanti le problematiche relative alla saldatura delle pelli esterne dei componenti ed ha dimostrato la fattibilità relativa ad un approccio di giunzione LASER integrato (saldatura seguita da un post trattamento termico) per la realizzazione della giunzione completa di particolari tubolari riempiti in schiuma con ripristino della struttura cellulare all’interfaccia di giunzione. Il secondo ambito di intervento è caratterizzato dall’applicazione di una sorgente LASER di bassissima potenza, operante in regime ad impulsi corti, nella saldatura di acciaio ad elevato contenuto di carbonio. Lo studio ha messo in evidenza come questo tipo di sorgente, solitamente applicata per lavorazioni di ablazione e marcatura, possa essere applicata anche alla saldatura di spessori sub-millimetrici. In questa fase è stato messo in evidenza il ruolo dei parametri di lavoro sulla conformazione del giunto ed è stata definita l’area di fattibilità del processo. Lo studio è stato completato investigando la possibilità di applicare un trattamento LASER dopo saldatura per addolcire le eventuali zone indurite. In merito all’ultimo ambito di intervento l’attività di studio si è focalizzata sull’utilizzo di sorgenti ad elevata densità di potenza (60 MW/cm^2) nella saldatura a profonda penetrazione di acciai da costruzione. L’attività sperimentale e di analisi dei risultati è stata condotta mediante tecniche di Design of Experiment per la valutazione del ruolo preciso di tutti i parametri di processo e numerose considerazioni relative alla formazione di cricche a caldo sono state suggerite.

Equazioni di stato della materia in astrofisica

Una stella non è un sistema in "vero" equilibrio termodinamico: perde costantemente energia, non ha una composizione chimica costante nel tempo e non ha nemmeno una temperatura uniforme. Ma, in realtà, i processi atomici e sub-atomici avvengono in tempi così brevi, rispetto ai tempi caratteristici dell'evoluzione stellare, da potersi considerare sempre in equilibrio. Le reazioni termonucleari, invece, avvengono su tempi scala molto lunghi, confrontabili persino con i tempi di evoluzione stellare. Inoltre il gradiente di temperatura è dell'ordine di 1e-4 K/cm e il libero cammino medio di un fotone è circa di 1 cm, il che ci permette di assumere che ogni strato della stella sia uno strato adiabatico a temperatura uniforme. Di conseguenza lo stato della materia negli interni stellari è in una condizione di ``quasi'' equilibrio termodinamico, cosa che ci permette di descrivere la materia attraverso le leggi della Meccanica Statistica. In particolare lo stato dei fotoni è descritto dalla Statistica di Bose-Einstein, la quale conduce alla Legge di Planck; lo stato del gas di ioni ed elettroni non degeneri è descritto dalla Statistica di Maxwell-Boltzmann; e, nel caso di degenerazione, lo stato degli elettroni è descritto dalla Statistica di Fermi-Dirac. Nella forma più generale, l'equazione di stato dipende dalla somma dei contributi appena citati (radiazione, gas e degenerazione). Vedremo prima questi contributi singolarmente, e dopo li confronteremo tra loro, ottenendo delle relazioni che permettono di determinare quale legge descrive lo stato fisico di un plasma stellare, semplicemente conoscendone temperatura e densità. Rappresentando queste condizioni su un piano $\log \rho \-- \log T$ possiamo descrivere lo stato del nucleo stellare come un punto, e vedere in che stato è la materia al suo interno, a seconda della zona del piano in cui ricade. È anche possibile seguire tutta l'evoluzione della stella tracciando una linea che mostra come cambia lo stato della materia nucleare nelle diverse fasi evolutive. Infine vedremo come leggi quantistiche che operano su scala atomica e sub-atomica siano in grado di influenzare l'evoluzione di sistemi enormi come quelli stellari: infatti la degenerazione elettronica conduce ad una massa limite per oggetti completamente degeneri (in particolare per le nane bianche) detta Massa di Chandrasekhar.

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.

Studio dell'energy saving negli impianti farmaceutici: soluzioni ottimali per il ricircolo dei fluidi di processo

Questa tesi si pone il problema di studiare lo stato dell’arte degli impianti di produzione farmaceutici e di formulare, in base ai risultati ottenuti, uno o più possibili ipotesi di recupero d’energia, con particolare attenzione ai fluidi termo-vettori: in altri termini, questa tesi si prefissa l’obiettivo di realizzare un sistema utile e concreto per recuperare parte dell’energia termica, che nell'attuale concezione dell’impianto e dei suoi macchinari andrebbe smaltita e persa nei fluidi in uscita dal processo, e convertirla in energia riutilizzabile. Come modello per lo studio del problema, si fa riferimento a un tipico layout di produzione del farmaco, progettato e dimensionato dalla ditta IMA S.p.A. , settore Active, il quale entra come “materiale grezzo” ed esce come prodotto finito. L’azienda concepisce e progetta tipicamente le sue macchine e, di conseguenza, i suoi impianti in base alla quantità di prodotto che mediamente ogni ciclo produttivo lavorerà: in parole povere, gli impianti della divisione Active di IMA S.p.A. sono dimensionati e suddivisi per “taglie”.

Automotive diesel engine transient operation: modeling, optimization and control

Traditionally, the study of internal combustion engines operation has focused on the steady-state performance. However, the daily driving schedule of automotive engines is inherently related to unsteady conditions. There are various operating conditions experienced by (diesel) engines that can be classified as transient. Besides the variation of the engine operating point, in terms of engine speed and torque, also the warm up phase can be considered as a transient condition. Chapter 2 has to do with this thermal transient condition; more precisely the main issue is the performance of a Selective Catalytic Reduction (SCR) system during cold start and warm up phases of the engine. The proposal of the underlying work is to investigate and identify optimal exhaust line heating strategies, to provide a fast activation of the catalytic reactions on SCR. Chapters 3 and 4 focus the attention on the dynamic behavior of the engine, when considering typical driving conditions. The common approach to dynamic optimization involves the solution of a single optimal-control problem. However, this approach requires the availability of models that are valid throughout the whole engine operating range and actuator ranges. In addition, the result of the optimization is meaningful only if the model is very accurate. Chapter 3 proposes a methodology to circumvent those demanding requirements: an iteration between transient measurements to refine a purpose-built model and a dynamic optimization which is constrained to the model validity region. Moreover all numerical methods required to implement this procedure are presented. Chapter 4 proposes an approach to derive a transient feedforward control system in an automated way. It relies on optimal control theory to solve a dynamic optimization problem for fast transients. From the optimal solutions, the relevant information is extracted and stored in maps spanned by the engine speed and the torque gradient.

Ab initio quantum mechanical investigation of structural and chemical-physical properties of selected minerals for minero-petrological, structural ceramic and biomaterial applications

The purpose of this thesis is the atomic-scale simulation of the crystal-chemical and physical (phonon, energetic) properties of some strategically important minerals for structural ceramics, biomedical and petrological applications. These properties affect the thermodynamic stability and rule the mineral-environment interface phenomena, with important economical, (bio)technological, petrological and environmental implications. The minerals of interest belong to the family of phyllosilicates (talc, pyrophyllite and muscovite) and apatite (OHAp), chosen for their importance in industrial and biomedical applications (structural ceramics) and petrophysics. In this thesis work we have applicated quantum mechanics methods, formulas and knowledge to the resolution of mineralogical problems ("Quantum Mineralogy”). The chosen theoretical approach is the Density Functional Theory (DFT), along with periodic boundary conditions to limit the portion of the mineral in analysis to the crystallographic cell and the hybrid functional B3LYP. The crystalline orbitals were simulated by linear combination of Gaussian functions (GTO). The dispersive forces, which are important for the structural determination of phyllosilicates and not properly con-sidered in pure DFT method, have been included by means of a semi-empirical correction. The phonon and the mechanical properties were also calculated. The equation of state, both in athermal conditions and in a wide temperature range, has been obtained by means of variations in the volume of the cell and quasi-harmonic approximation. Some thermo-chemical properties of the minerals (isochoric and isobaric thermal capacity) were calculated, because of their considerable applicative importance. For the first time three-dimensional charts related to these properties at different pressures and temperatures were provided. The hydroxylapatite has been studied from the standpoint of structural and phonon properties for its biotechnological role. In fact, biological apatite represents the inorganic phase of vertebrate hard tissues. Numerous carbonated (hydroxyl)apatite structures were modelled by QM to cover the broadest spectrum of possible biological structural variations to fulfil bioceramics applications.

Horizon entropy from scratch

Scopo di questo lavoro di tesi è lo studio di alcune proprietà delle teorie generali della gravità in relazione alla meccanica e la termodinamica dei buchi neri. In particolare, la trattazione che seguirà ha lo scopo di fornire un percorso autoconsistente che conduca alla nozione di entropia di un orizzonte descritta in termini delle carica di Noether associata all'invarianza del funzionale d'azione, che descrive la teoria gravitazionale in considerazione, per trasformazioni di coordinate generali. Si presterà particolare attenzione ad alcune proprietà geometriche della Lagrangiana, proprietà che sono indipendenti dalla particolare forma della teoria che si sta prendendo in considerazione; trattasi cioè non di proprietà dinamiche, legate cioè alla forma delle equazioni del moto del campo gravitazionale, ma piuttosto caratteristiche proprie di qualunque varietà rappresentante uno spaziotempo curvo. Queste caratteristiche fanno sì che ogni teoria generale della gravità possieda alcune grandezze definite localmente sullo spaziotempo, in particolare una corrente di Noether e la carica ad essa associata. La forma esplicita della corrente e della carica dipende invece dalla Lagrangiana che si sceglie di adottare per descrivere il campo gravitazionale. Il lavoro di tesi sarà orientato prima a descrivere come questa corrente di Noether emerge in qualunque teoria della gravità invariante per trasformazioni generali e come essa viene esplicitata nel caso di Lagrangiane particolari, per poi identificare la carica ad essa associata come una grandezza connessa all' entropia di un orizzonte in qualunque teoria generale della gravità.

Messa a punto di un dispositivo per prove di trazione su funi e primi risultati sperimentali

Analisi dell'installazione di un banco prova di trazione su funi in una azienda, della sua messa a punto e di un primo collaudo svolto.

An Integrated Transmission-Media Noise Calibration Software For Deep-Space Radio Science Experiments

The thesis describes the implementation of a calibration, format-translation and data conditioning software for radiometric tracking data of deep-space spacecraft. All of the available propagation-media noise rejection techniques available as features in the code are covered in their mathematical formulations, performance and software implementations. Some techniques are retrieved from literature and current state of the art, while other algorithms have been conceived ex novo. All of the three typical deep-space refractive environments (solar plasma, ionosphere, troposphere) are dealt with by employing specific subroutines. Specific attention has been reserved to the GNSS-based tropospheric path delay calibration subroutine, since it is the most bulky module of the software suite, in terms of both the sheer number of lines of code, and development time. The software is currently in its final stage of development and once completed will serve as a pre-processing stage for orbit determination codes. Calibration of transmission-media noise sources in radiometric observables proved to be an essential operation to be performed of radiometric data in order to meet the more and more demanding error budget requirements of modern deep-space missions. A completely autonomous and all-around propagation-media calibration software is a novelty in orbit determination, although standalone codes are currently employed by ESA and NASA. The described S/W is planned to be compatible with the current standards for tropospheric noise calibration used by both these agencies like the AMC, TSAC and ESA IFMS weather data, and it natively works with the Tracking Data Message file format (TDM) adopted by CCSDS as standard aimed to promote and simplify inter-agency collaboration.

Comportamento tribologico di materiali per componenti di interesse industriale: Failure analysis e prove tribologiche in laboratorio

L’attività di ricerca della presente tesi di dottorato ha riguardato sistemi tribologici complessi di interesse industriale per i quali sono stati individuati, mediante failure analysis, i meccanismi di usura dominanti. Per ciascuno di essi sono state studiate soluzioni migliorative sulla base di prove tribologiche di laboratorio. Nella realizzazione di maglie per macchine movimentazione terra sono ampiamente utilizzati i tradizionali acciai da bonifica. La possibilità di utilizzare i nuovi microlegati a medio tenore di carbonio, consentirebbe una notevole semplificazione del ciclo produttivo e benefici in termini di costi. Una parte della tesi ha riguardato lo studio del comportamento tribologico di tali acciai. E’ stato anche affrontato lo studio tribologico di motori idraulici, con l’obiettivo di riuscire a migliorarne la resistenza ad usura e quindi la vita utile. Sono state eseguite prove a banco, per valutare i principali meccanismi di usura, e prove di laboratorio atte a riprodurre le reali condizioni di utilizzo, valutando tecniche di modificazione superficiale che fossero in grado di ridurre l’usura dei componenti. Sono state analizzate diverse tipologie di rivestimenti Thermal Spray in termini di modalità di deposizione (AFS-APS) e di leghe metalliche depositate (Ni,Mo,Cu/Al). Si sono infine caratterizzati contatti tribologici nel settore del packaging, dove l’utilizzo di acciai inox austenitici è in alcuni casi obbligatorio. L’acciaio inossidabile AISI 316L è ampiamente utilizzato in applicazioni in cui siano richieste elevate resistenze alla corrosione, tuttavia la bassa resistenza all’usura, ne limitano l’impiego in campo tribologico. In tale ambito, è stata analizzata una problematica tribologica relativa a macchine automatiche per il dosaggio di polveri farmaceutiche. Sono state studiate soluzioni alternative che hanno previsto sia la completa sostituzione dei materiali della coppia tribologica, sia l’individuazione di tecniche di modificazione superficiale innovative quali la cementazione a bassa temperatura anche seguita dalla deposizione di un rivestimento di carbonio amorfo idrogenato a-C:H

Prestazioni energetico-ambientali di sistemi cogenerativi avanzati e analisi di casi applicativi

Lo scopo di questa tesi è quello di analizzare dapprima l’impatto ambientale di tali impianti e poi analizzare il contributo effettivo che oggi la tecnologia innovativa dei cicli Rankine organici può dare nella valorizzazione elettrica del calore di scarto di processi industriali, focalizzando l’obiettivo principalmente sulle turbine a gas ed eseguendo un caso di studio in un settore ancora poco esplorato da questa tecnologia, quello Oil&Gas. Dopo aver effettuato il censimento degli impianti a fonti fossili e rinnovabili, cogenerativi e non, presenti in Emilia-Romagna, è stato sviluppato un software chiamato MiniBref che permette di simulare il funzionamento di una qualsiasi centrale termoelettrica grazie alla possibilità di combinare la tecnologia dell’impianto con il tipo di combustibile consentendo la valutazione delle emissioni inquinanti ed i potenziali di inquinamento. Successivamente verranno illustrati gli ORC, partendo dalle caratteristiche impiantistiche e termodinamiche fino ad arrivare alla scelta del fluido organico, fondamentale per le performance del ciclo. Dopo aver effettuato una ricognizione dello stato dell’arte delle applicazioni industriali degli ORC nel recupero termico, verranno eseguite simulazioni numeriche per ricostruire gli ORC ed avere una panoramica il più completa ed attendibile delle prestazioni effettive di questi sistemi. In ultimo verranno illustrati i risultati di un caso di studio che vede l’adozione di recupero mediante ciclo organico in un’installazione esistente del settore Oil&Gas. Si effettuerà uno studio delle prestazione dell’impianto al variare delle pressioni massime e minime del ciclo ed al variare del fluido impiegato al fine di mostrare come questi parametri influenzino non solo le performance ma anche le caratteristiche impiantistiche da adottare. A conclusione del lavoro si riporteranno i risultati relativi all’analisi condotte considerando l’impianto ai carichi parziali ed in assetto cogenerativo.

Development Of New Toolkits For Orbit Determination Codes For Precise Radio Tracking Experiments

This thesis describes the developments of new models and toolkits for the orbit determination codes to support and improve the precise radio tracking experiments of the Cassini-Huygens mission, an interplanetary mission to study the Saturn system. The core of the orbit determination process is the comparison between observed observables and computed observables. Disturbances in either the observed or computed observables degrades the orbit determination process. Chapter 2 describes a detailed study of the numerical errors in the Doppler observables computed by NASA's ODP and MONTE, and ESA's AMFIN. A mathematical model of the numerical noise was developed and successfully validated analyzing against the Doppler observables computed by the ODP and MONTE, with typical relative errors smaller than 10%. The numerical noise proved to be, in general, an important source of noise in the orbit determination process and, in some conditions, it may becomes the dominant noise source. Three different approaches to reduce the numerical noise were proposed. Chapter 3 describes the development of the multiarc library, which allows to perform a multi-arc orbit determination with MONTE. The library was developed during the analysis of the Cassini radio science gravity experiments of the Saturn's satellite Rhea. Chapter 4 presents the estimation of the Rhea's gravity field obtained from a joint multi-arc analysis of Cassini R1 and R4 fly-bys, describing in details the spacecraft dynamical model used, the data selection and calibration procedure, and the analysis method followed. In particular, the approach of estimating the full unconstrained quadrupole gravity field was followed, obtaining a solution statistically not compatible with the condition of hydrostatic equilibrium. The solution proved to be stable and reliable. The normalized moment of inertia is in the range 0.37-0.4 indicating that Rhea's may be almost homogeneous, or at least characterized by a small degree of differentiation.

Design and Characterization of Curved and Spherical Flexure Hinges for Planar and Spatial Compliant Mechanisms

A flexure hinge is a flexible connector that can provide a limited rotational motion between two rigid parts by means of material deformation. These connectors can be used to substitute traditional kinematic pairs (like bearing couplings) in rigid-body mechanisms. When compared to their rigid-body counterpart, flexure hinges are characterized by reduced weight, absence of backlash and friction, part-count reduction, but restricted range of motion. There are several types of flexure hinges in the literature that have been studied and characterized for different applications. In our study, we have introduced new types of flexures with curved structures i.e. circularly curved-beam flexures and spherical flexures. These flexures have been utilized for both planar applications (e.g. articulated robotic fingers) and spatial applications (e.g. spherical compliant mechanisms). We have derived closed-form compliance equations for both circularly curved-beam flexures and spherical flexures. Each element of the spatial compliance matrix is analytically computed as a function of hinge dimensions and employed material. The theoretical model is then validated by comparing analytical data with the results obtained through Finite Element Analysis. A case study is also presented for each class of flexures, concerning the potential applications in the optimal design of planar and spatial compliant mechanisms. Each case study is followed by comparing the performance of these novel flexures with the performance of commonly used geometries in terms of principle compliance factors, parasitic motions and maximum stress demands. Furthermore, we have extended our study to the design and analysis of serial and parallel compliant mechanisms, where the proposed flexures have been employed to achieve spatial motions e.g. compliant spherical joints.

Monitoraggio strutturale (structural health monitoring) di laminati CFRP tramite reticoli di Bragg in fibra ottica

Lo studio si propone di valutare la capacità dei reticoli di Bragg in fibra ottica, di individuare e monitorare danneggiamenti presenti all'interno di laminati in composito, tramite l'analisi degli spettri riflessi dai reticoli stessi. Sono stati utilizzati due tipi diversi di stratificazione dei laminati, per valutare il diverso comportamento dei reticoli di Bragg inseriti all'interno dei laminati. Le proprietà dei materiali e degli spettri riflessi dai reticoli, sono state messe in relazione qualitativamente e quantitativamente, al fine di sviluppare un valido metodo di Structural Health Monitoring.