Sviluppo di sistemi per l'analisi della combustione in tempo reale per motori endotermici alternativi

I moderni motori a combustione interna diventano sempre più complessi L'introduzione della normativa antinquinamento EURO VI richiederà una significativa riduzione degli inquinanti allo scarico. La maggiore criticità è rappresentata dalla riduzione degli NOx per i motori Diesel da aggiungersi a quelle già in vigore con le precedenti normative. Tipicamente la messa a punto di una nuova motorizzazione prevede una serie di test specifici al banco prova. Il numero sempre maggiore di parametri di controllo della combustione, sorti come conseguenza della maggior complessità meccanica del motore stesso, causa un aumento esponenziale delle prove da eseguire per caratterizzare l'intero sistema. L'obiettivo di questo progetto di dottorato è quello di realizzare un sistema di analisi della combustione in tempo reale in cui siano implementati diversi algoritmi non ancora presenti nelle centraline moderne. Tutto questo facendo particolare attenzione alla scelta dell'hardware su cui implementare gli algoritmi di analisi. Creando una piattaforma di Rapid Control Prototyping (RCP) che sfrutti la maggior parte dei sensori presenti in vettura di serie; che sia in grado di abbreviare i tempi e i costi della sperimentazione sui motopropulsori, riducendo la necessità di effettuare analisi a posteriori, su dati precedentemente acquisiti, a fronte di una maggior quantità di calcoli effettuati in tempo reale. La soluzione proposta garantisce l'aggiornabilità, la possibilità di mantenere al massimo livello tecnologico la piattaforma di calcolo, allontanandone l'obsolescenza e i costi di sostituzione. Questa proprietà si traduce nella necessità di mantenere la compatibilità tra hardware e software di generazioni differenti, rendendo possibile la sostituzione di quei componenti che limitano le prestazioni senza riprogettare il software.

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.

Metalli nel particolato atmosferico: distribuzione granulometrica e valutazione del contributo della combustione di biomasse

La tossicità delle polveri atmosferiche è associata sia alla natura granulometrica sia al carico di contaminanti, da qui la necessità di investigare oltre la concentrazione delle PM in atmosfera anche la loro composizione chimica. In questo studio è stata effettuata una prima caratterizzazione da un punto di vista sia granulometrico che chimico del particolato atmosferico campionato in una zona suburbana di Riccione (Castello degli Agolanti). In particolare sono state determinate le concentrazioni di metalli quali Pb, Cd, Ni, Zn, Cu, Fe e Al nel PM 2,5 PM 10 e PM totale. Inoltre, dato che uno degli scopi dello studio è quello di verificare il contributo della combustione di biomasse sul carico complessivo di contaminanti, il periodo di campionamento comprende il giorno delle Fogheracce, festa popolare in cui vengono accesi diversi falò all’aperto. Complessivamente sono stati prelevati 13 campioni di 48 ore per ogni frazione granulometrica dal 9 Marzo all’8 Aprile 2011. Dallo studio emerge che nel periodo di campionamento, mediamente il contributo antropogenico è dominante per Pb, Cd, Ni Cu e Zn dovuto principalmente al traffico veicolare. Tali metalli, ad eccezione del Cu infatti si concentrano nel particolato più fine. Al e Fe invece sono principalmente marker delle emissioni crostali e si concentrano nella frazione grossolana. Interessante quanto registrato nella giornata delle Fogheracce. Oltre ad una variazione nel contenuto relativo dei metalli con un forte arricchimento di Pb e Al, per quest’ultimo si nota anche un forte incremento della sua concentrazione nella frazione PM2.5 ad indicare una diversa sorgente emissiva. Si evidenzia in questo studio un importante contributo nel carico di inquinanti da parte di combustioni di biomasse all’aperto.

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.

Regolazione della pompa elettrica del carburante a bassa pressione: Analisi dell'impatto sul consumo specifico di un motore a combustione interna

The trend of CO2 emission limit and fuel saving due to the oil price increase and are important drivers for engines development. The engine auxiliary devices electrification (g.e fuel pump) is a way to reduce the energy consumption, because it becomes possible to control them depending on engine operation point, this kid of management can be applied to the electric low-pressure pump. Usually the fuel delivery is performed at the maximum flow rate and a pressure regulator discharges the exceeding fuel amount inside the rail (gasoline engine) or upstream of the high pressure pump (common rail diesel engine). In this work it has been investigated the fuel saving achievable through a proper control of the electric fuel pump on a small common rail diesel engine, and a control architecture is proposed. The aim was to maximize the fuel economy without any impact on pressure control in the engine transient conditions. L'andamento del limite di emissioni di CO2 e il risparmio di carburante dovuto all'aumento del prezzo del petrolio sono fattori importanti per lo sviluppo dei motori. I dispositivi ausiliari, come la pompa del carburante, sono un modo per ridurre il consumo energetico, in quanto diventa possibile controllarli a seconda del punto di funzionamento del motore, questo tipo di gestione può essere applicato alla pompa elettrica a bassa pressione. Solitamente la portata del combustibile viene eseguita alla portata massima e un regolatore di pressione si scarica la quantità eccedente di carburante all'interno del rail (motore a benzina) o a monte della pompa a alta pressione (common rail motore diesel). In questo lavoro è stato studiato il risparmio di combustibile ottenibile attraverso un adeguato controllo della pompa elettrica del carburante su un piccolo motore diesel common rail e viene proposta una architettura di controllo. Lo scopo è quello di massimizzare il risparmio di carburante, senza alcun impatto sul controllo della pressione nelle condizioni transitorie del motore.

Analisi preliminare di combustioni innovative su un motore diesel di piccola cilindrata

Analisi delle emissioni di inquinanti per combustioni innovative Dual-Fuel e Premixed Charge Compression Ignition (PCCI) operate su un motore Diesel, nel laboratorio di propulsione e macchine della Scuola d'Ingegneria e Architettura con sede a Forlì. Tale studio è stato realizzato in quanto la riduzione delle emissioni e dei consumi sono caratteristiche di primo impatto per la competitività sul mercato di un motore e poiché le emissioni di inquinanti sono regolate da standard europei che ne esigono la continua riduzione. L'obiettivo della ricerca è quello di definire un pattern di combustioni, variando il valore e la sincronizzazione dei parametri delle attuazioni, che consenta la riduzione di inquinanti senza compromettere le prestazioni. Capire come ottenere minori emissioni di inquinanti significa poter far rientrare anche i motori diesel nelle future normative EURO 6 (già definite ed in vigore da Settembre 2014), e di seguire studi paralleli sulla riduzione dei consumi sui quali sono già stati riscontrati risultati positivi.

Water management aeroportuale: Analisi sperimentale dell'accumulo di inquinanti in airside. Il caso dell'aeroporto G. Marconi di bologna.

Negli ultimi quindici anni il traffico aereo passeggeri in Italia è stato interessato da un cospicuo incremento: si è passati dai 91 milioni di passeggeri nel 2000 ai 150 milioni nel 2014. Le previsioni di crescita per il Paese indicano il possibile raddoppio del traffico entro il 2030, quando si dovrebbe raggiungere la soglia dei 300 milioni di passeggeri, con un aumento soprattutto della quota parte internazionale. Non vi può essere sviluppo economico di uno Stato senza crescita del traffico aereo, la quale si può realizzare solo con un adeguamento e un potenziamento delle capacità delle infrastrutture aeroportuali compatibile con le condizioni ambientali e un’efficace interconnessione degli scali con gli altri modi di trasporto. Infatti la pianificazione e la progettazione degli aeroporti non può prescindere da un’analisi approfondita sugli impatti ambientali prodotti dalle attività svolte all’interno degli scali. Inoltre l’incremento del numero medio di passeggeri per movimento (dal 75 pax/mov nel 2000 a 106 pax/mov nel 2011, dato riferito al traffico nazionale) rappresenta un dato positivo dal punto di vista ambientale: nei cieli vola un minor numero di aeromobili, ma in grado di trasportare un maggior numero di passeggeri, con conseguente diminuzione del numero dei movimenti, quindi del rumore, delle emissioni e dell’inquinamento ambientale provocato dalle operazioni necessarie a garantire l’operatività di ciascun volo. La salvaguardia dell’ambiente per un aeroporto è un compito difficile e oneroso, poiché può creare problemi ambientali come inquinamento acustico, dell’aria, delle acque fondiarie e trattamento dei rifiuti. In particolare, scopo di questo elaborato è studiare l’impatto che le operazioni svolte in air-side provocano sulla qualità delle acque di dilavamento, osservando e analizzando le attività che avvengono presso l’Aeroporto G. Marconi di Bologna. Si intende svolgere un censimento delle operazioni che influenzano la qualità delle acque (sia direttamente sia a seguito del dilavamento delle pavimentazioni aeroportuali), indagando quali siano i soggetti coinvolti, le procedure da eseguire, la frequenza e gli eventuali mezzi impiegati. Poi si vogliono eseguire analisi chimiche e granulometriche con un duplice obiettivo: conoscere la qualità delle acque raccolte dalle caditoie presenti nel piazzale e a bordo pista e verificare l’efficacia delle operazioni eseguite anche per ridurre il build up, cioè il tasso di accumulo in tempo secco e, di conseguenza, l’apporto di inquinanti riversato nelle acque di dilavamento. Infine si propongono interventi volti a incrementare la sostenibilità ambientale dell’infrastruttura aeroportuale, con particolare attenzione alla riduzione dell’inquinamento idrico.

Benefici del long route EGR sulla riduzione dei consumi: studio di fattibilità su motore diesel automobilistico

L'EGR (Exhaust Gas Recirculation) è una tecnica comunemente sfruttata per la riduzione delle emissioni. In questo studio sono stati investigati i benefici, in termini di fuel economy, prodotti dall'aggiunta di un circuito EGR long route su un motore diesel per applicazioni automobilistiche dotato di sistema short route. L'indagine è stata svolta su di un modello motore su software GT-Power, adeguatamente calibrato e validato sui dati da piano quotato. Simulazioni sono state svolte al fine di valutare gli effetti del solo LP-EGR sul motore, per poi considerare un funzionamento combinato dai due sistemi di ricircolo (dual loop). Le maggiori portate che per il sistema long route interessano la turbina determinano un incremento nelle contropressioni. Ciò ha portato a considerare la possibilità di modificare il sistema turbo. Il layout originario comprendeva una turbina a geometria fissa (FGT), a cui ne sono stati affiancati due ulteriori con turbina a geometria variabile (VGT). I risultati sono stati analizzati vincolando la produzione di inquinanti ai valori registrati nei punti di calibrazione relativi al layout originale del motore. Effettivo risparmio di combustibile non è stato riscontrato nell'allestimento con turbina FGT a causa delle elevate contropressioni, mentre con turbine VGT è stata registrata una effettiva fuel economy grazie al sistema LP-EGR senza alcun deterioramento nelle emissioni di NOx e PM. I benefici riscontrati con il LP-EGR sono da attribure ad un incremento del rendimento indicato dovuto alla riduzione delle perdite per scambio termico a seguito di una minore temperatura caratterizzante i gas ricircolati.

Influence of iodine value on combustion and NOx emission characteristics of a DI diesel engine

Biodiesel is a renewable fuel that has been shown to reduce many exhaust emissions, except oxides of nitrogen (NOx), in diesel engine cars. This is of special concern in inner urban areas that are subject to strict environmental regulations, such as EURO norms. Also, the use of pure biodiesel (B100) is inhibited because of its higher NOx emissions compared to petroleum diesel fuel. The aim of this present work is to investigate the effect of the iodine value and cetane number of various biodiesel fuels obtained from different feed stocks on the combustion and NOx emission characteristics of a direct injection (DI) diesel engine. The biodiesel fuels were chosen from various feed stocks such as coconut, palm kernel, mahua (Madhuca indica), pongamia pinnata, jatropha curcas, rice bran, and sesame seed oils. The experimental results show an approximately linear relationship between iodine value and NOx emissions. The biodiesels obtained from coconut and palm kernel showed lower NOx levels than diesel, but other biodiesels showed an increase in NOx. It was observed that the nature of the fatty acids of the biodiesel fuels had a significant influence on the NOx emissions. Also, the cetane numbers of the biodiesel fuels are affected both premixed combustion and the combustion rate, which further affected the amount of NOx formation. It was concluded that NOx emissions are influenced by many parameters of biodiesel fuels, particularly the iodine value and cetane number.

Bayesian models for the determination of resonant frequencies in a DI diesel engine

A time series method for the determination of combustion chamber resonant frequencies is outlined. This technique employs the use of Markov-chain Monte Carlo (MCMC) to infer parameters in a chosen model of the data. The development of the model is included and the resonant frequency is characterised as a function of time. Potential applications for cycle-by-cycle analysis are discussed and the bulk temperature of the gas and the trapped mass in the combustion chamber are evaluated as a function of time from resonant frequency information.

Methyl ester preparation from peanut oil and its effect on DI diesel engine combustion

This study investigated the preparation of methyl ester (Biodiesel) from peanut oil by transesterification method and its effect on DI diesel engine. Two parameters were measured during the engine operation: one is engine performance (brake thermal efficiency and brake specific fuel consumption), and the other is the exhaust emissions (NOx and CO). The result showed that, when compared with neat diesel fuel, the brake thermal efficiency of biodiesel blend was almost similar or a slight lower. However, brake specific fuel consumption (bsfc) was a little higher than neat diesel. CO was lower and NOx was little higher with biodiesel blend than that of diesel. The engine performance for B10 and B20 was very similar. At medium and high load conditions the engine emissions for B10 and B20 has no significant variation. Hence, B20 can safely be used in diesel engine without any significant penalty in engine performance and emissions.

A statistical model for combustion resonance from a DI diesel engine with applications

Introduced in this paper is a Bayesian model for isolating the resonant frequency from combustion chamber resonance. The model shown in this paper focused on characterising the initial rise in the resonant frequency to investigate the rise of in-cylinder bulk temperature associated with combustion. By resolving the model parameters, it is possible to determine: the start of pre-mixed combustion, the start of diffusion combustion, the initial resonant frequency, the resonant frequency as a function of crank angle, the in-cylinder bulk temperature as a function of crank angle and the trapped mass as a function of crank angle. The Bayesian method allows for individual cycles to be examined without cycle-averaging|allowing inter-cycle variability studies. Results are shown for a turbo-charged, common-rail compression ignition engine run at 2000 rpm and full load.