Sistema di controllo attivo della sovralimentazione per un motore aeronautico

Sistema di controllo attivo della sovralimentazione per un motore aeronautico Wankel.

Dispositivi di filtrazione del particolato nei fumi di combustione di biomassa in caldaie di piccola dimensione

Progettazione, realizzazione e sperimentazione di un filtro per il particolato da piccole caldaie a biomassa, che deve avere efficienza maggiore del 99,9% e consumi energetici specifici minori di 10 Wh/Nm3.

Selezione di trasduttori per la misura di portata fluidi nei motori a combustione interna

Si vuole dimostrare la fattibilità di realizzazione di una serie di misuratori di portata fluidi da applicare principalmente per le misure di portata dei fluidi di un motore in prova al banco. Queste portate di interesse riguardano: liquido di raffreddamento, tipicamente acqua a una temperatura prossima ai 100°C, olio lubrificante, tipicamente ad una temperatura di 150°C, aria di aspirazione, BlowBy, aria che filtra dalle fasce elastiche e dalla camera di combustione passa in coppa e quindi presenta goccioline e vapori d'olio, e possibilmente EGR. La prima fase consiste nel valutare ciò che offre il mercato per rendersi conto di quali sono i livelli di prestazione di misura dei sensori commerciali e il loro prezzo. Dunque, oltre alla consultazione di datasheet, segue una richiesta di preventivi ai fornitori di tali prodotti. Conclusa la fasce di analisi di mercato sopra descritta si avvia la fase di design del misuratore. Dopo l'analisi il principio di misura ottimale risulta quello ultrasonico. In particolare è opportuno effettuare una prima distinzione fra misuratori per liquidi e per gas, i quali naturalmente presenteranno differenze geometriche sia per la compatibilità con l'impianto nel quale verranno montati sia per le caratteristiche del fluido di cui interessa la misura. Disegnata a CAD la geometria i due tubi vengono stampati in 3D, dopodichè vengono montati i trasduttori per la generazione e la ricezione degli ultrasuoni. Si effettuano le prove di laboratorio, per liquidi e poi per gas, nel primo caso misurando la portata acqua messa in circolo da una pompa, nel secondo caso misurando la portata aria di un Ducati al banco motori. I dati acquisiti da varie prove vengono poi elaborati tramite Matlab, e si ricavano conclusioni in termini di rumore, accuratezza, ripetibilità ed infine di conferma che è fattibile realizzarli ad un costo contenuto ma che per riuscirci è necessario molto più sviluppo e ottimizzazione.

Analisi degli effetti dell’iniezione d’acqua mediante simulazione CFD in un motore GDI ad alta potenza specifica

Negli ultimi anni il panorama evolutivo delle normative omologative ha dettato una severa evoluzione dei limiti sulla concentrazione degli inquinanti gassosi allo scarico, inclusa la CO2 per ragioni legate all'effetto serra ed al contenimento dei consumi di fonti energetiche non rinnovabili. L'obiettivo di sviluppo dei nuovi motori a combustione interna è principalmente rivolto all'incremento dell'efficienza di conversione limitato da fenomeni di combustione anomala quali la detonazione. Per superare tale limite è necessario individuare nuove soluzioni che riducano il rischio di detonazione all'aumentare della potenza specifica del motore tra cui trova interesse l'iniezione d'acqua in fase liquida perché l'elevato calore latente di vaporizzazione può fornire il raffreddamento della miscela desiderato. Il progetto sviluppato in questa tesi consiste nella valutazione degli effetti dell'iniezione d'acqua in un motore ad accensione comandata ad alta potenza specifica al fine di analizzarne gli effetti termo-fluidodinamici e valutarne i possibili benefici e svantaggi. La metodica di ricerca è stata di tipo numerico tramite l'adozione della simulazione CFD tridimensionale. Dopo una valutazione preliminare dei tempi caratteristici evaporativi e del rischio di saturazione, lo sviluppo di questa tesi si è articolato in un confronto tra le due soluzioni tecnologiche disponibili, iniezione d'acqua diretta e indiretta, analizzando l'influenza dell'iniezione d'acqua sulle grandezze motoristiche di maggiore interesse, quali titolo della miscela, intensità di turbolenza e temperatura, la cui ottimizzazione e il cui controllo sono fondamentali per il raggiungimento della massima efficienza di un motore ad accensione comandata e per superare il limite della detonazione.

Sperimentazione di un EGR HP Mixer e di un Oil Cooler con Bypass in un motore V6 Diesel con l’obiettivo di ridurre la CO2

Lo scopo di questa tesi è stato sperimentare componenti prototipali su un motore V6 Diesel all’interno di un banco dinamico con il fine di valutarne la riduzione di CO2 in cicli di omologazione NEDC e WLTC. In particolare si sono studiati un nuovo EGR HP Mixer e un Oil Cooler dotato di Bypass: il primo componente per migliorare l’EGR distribution da cilindro a cilindro, mentre il secondo componente per ottenere un’ottimizzazione energetica della pompa dell’olio sfruttando il nuovo bypass del cooler. L’Oil Cooler è dotato di due cartucce intercambiabili che cambiano le fasi di bypass a seconda della temperatura dell’olio: la prima cartuccia, a 2 stadi, parte dalla condizione di bypass e chiude a una certa temperatura per proteggere il motore; la seconda, a 3 stadi, sfrutta il bypass solo in un range di temperatura ottimizzato con il calcolo CFD. La riduzione di consumi di gasolio è stata valutata confrontando i diversi consumi a pari emissioni di NOx; in questo modo si è registrata una riduzione di consumi con l’EGR HP Mixer dell’1.7% nel ciclo NEDC e dello 0.5% nel ciclo WLTC. Con lo stesso metodo si è registrato che l’Oil Cooler Bypass determina nel ciclo NEDC una riduzione dello 0.6 % con la valvola a 3 Stadi e una riduzione dello 0.37 % con la valvola a 2 Stadi. Nel ciclo WLTC si è invece ottenuta una riduzione dello 0.1 % con la valvola a 3 Stadi e un aumento dello 0.33 % con la valvola a 2 Stadi. Di ogni componente è stato fatto uno studio stazionario per indagarne a fondo i comportamenti.

Sviluppo di un modello matematico per il controllo della massa iniettata da un iniettore GDI benzina ad alta pressione

Una delle principali sfide odierne è la volontà di ridurre l’impatto ambientale, causato dalle attività umane, riducendo le emissioni inquinanti. Per questo motivo, negli ultimi anni, i requisiti di omologazione dei motori a combustione interna sono diventati sempre più selettivi, evidenziando la necessità di utilizzare nuove e più avanzate tecnologie. Tra le possibili alternative, le nuove tecnologie che forniscono i risultati più promettenti sono le cosiddette Low Temperature Combustions (LTC). Una di esse è la Gasoline Compression Ignition (GCI) che è caratterizzata da una combustione mediante il processo di auto-accensione di un carburante tipo benzina ed è in grado di ottenere un’elevata efficienza con ridotte emissioni inquinanti. Per poter controllare correttamente una combustione GCI, è necessario realizzare un pattern di iniezioni consecutive al fine di raggiungere le condizioni termodinamiche nel cilindro per garantire l’auto-accensione della benzina. I principali problemi dovuti alla realizzazione di un’iniezione multipla sono la generazione di onde di alta pressione nel condotto di iniezione e, nel caso di iniettori Gasoline Direct Injection (GDI) solenoidali, la magnetizzazione residua dei coil dello stesso. Sia le onde di pressione che la magnetizzazione residua comportano una variazione di massa iniettata rispetto al valore previsto. In questo elaborato è presentato un modello matematico realizzato per compensare le variazioni di massa che avvengono durante un pattern di due iniezioni consecutive in un iniettore GDI benzina ad alta pressione. Con tale modello, è possibile correggere i parametri che caratterizzano le iniezioni per introdurre il quantitativo desiderato di benzina indipendentemente dal pattern selezionato.

Rilevazione ottica delle dimensioni della camera di combustione per la stima del rapporto di compressione reale

La ricerca di un'ottima qualità costruttiva è diventata, per ogni fornitore o produttore legato all’ambito automotive/motoristico, l’aspetto principale nella produzione di un veicolo, soprattutto nel caso specifico di un motore: per garantire, dunque, una buona qualità generale lungo tutta la gamma di produzione, è necessario avere una buona “ripetibilità” di costruzione, ossia, è fondamentale poter assemblare un alto numero di motori che siano il più possibile identici tra loro; considerando tutte le variabili che intervengono lungo la catena di produzione, a partire dalla banale lavorazione meccanica delle parti, fino all’assemblaggio stesso del motore. E' facilmente intuibile, pertanto, come non sia così raro avere delle leggere imperfezioni tra motore e motore che possono poi andare ad impattare sulla vita e sulle performance stesse del mezzo. Questo discorso è ancora più valido se si parla dell’ambito racing, in cui la qualità costruttiva, e, quindi, le performance, giocano un ruolo fondamentale nella progettazione di un motore, nonostante il volume produttivo sia tutto sommato piccolo. L’obiettivo dell'elaborato è quello di creare un metodo di controllo e di confronto della qualità/precisione costruttiva, intesa sia come qualità di produzione delle parti che di assemblaggio del motore finito. A partire da una scansione laser tridimensionale, sotto forma di una nuvola di punti, si è creato un software di elaborazione dati che permettesse di arrivare a calcolare il rapporto di compressione reale del motore in analisi e la mappa di squish tramite la sovrapposizione virtuale delle due scansioni relative ai cilindri/pistoni del blocco motore e la testa del motore stesso.

Simulazione e controllo di un motore brushless sinusoidale

Nel presente elaborato si prende in esame il modello di un motore sincrono a magneti permanenti alimentato in bassa tensione, avente BEMF sinusoidale, ed il suo sistema di controllo. Nella trattazione, viene studiato il comportamento del motore sulla base delle equazioni caratteristiche della macchina e del controllo ad orientamento di campo, così da poter mettere in luce i parametri che influenzano direttamente le prestazioni oggetto di interesse in ambito industriale e di ricerca. Si illustra, inoltre, la costruzione di un modello del motore e del suo controllo, considerando il motore s602b402 prodotto da SIBONI, in ambiente di simulazione. Tale modello permetterà di osservare la risposta della macchina ai più comuni ingressi forniti dall’utente, quali posizione e velocità, sulla base della taratura dei regolatori del sistema di controllo. A questo proposito, l'elaborato spiega come ottenere i parametri di macchina, necessari per la simulazione e per identificare il modello del motore, attraverso le prove sperimentali e quali differenze emergono tra i risultati ottenuti dall’ambiente di simulazione e quelli al banco. Questo consente, infine, di verificare l’attendibilità del modello e di fornire spunti per poterne migliorare i risultati in vista di sviluppi futuri.

Secondary effects of catalytic diesel particulate filters: copper-induced formation of PCDD/Fs.

Potential risks of a secondary formation of polychlorinated dibenzodioxins/furans (PCDD/Fs) were assessed for two cordierite-based, wall-through diesel particulate filters (DPFs) for which soot combustion was either catalyzed with an iron- or a copper-based fuel additive. A heavy duty diesel engine was used as test platform, applying the eight-stage ISO 8178/4 C1 cycle. DPF applications neither affected the engine performance, nor did they increase NO, NO2, CO, and CO2 emissions. The latter is a metric for fuel consumption. THC emissions decreased by about 40% when deploying DPFs. PCDD/F emissions, with a focus on tetra- to octachlorinated congeners, were compared under standard and worst case conditions (enhanced chlorine uptake). The iron-catalyzed DPF neither increased PCDD/F emissions, nor did it change the congener pattern, even when traces of chlorine became available. In case of copper, PCDD/F emissions increased by up to 3 orders of magnitude from 22 to 200 to 12 700 pg I-TEQ/L with fuels of < 2, 14, and 110 microg/g chlorine, respectively. Mainly lower chlorinated DD/Fs were formed. Based on these substantial effects on PCDD/F emissions, the copper-catalyzed DPF system was not approved for workplace applications, whereas the iron system fulfilled all the specifications of the Swiss procedures for DPF approval (VERT).

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.

Sviluppo e validazione sperimentale di strategie di previsione e controllo del fenomeno della preaccensione (Mega-Knock)

L’algoritmo per la previsione del Mega-Knock si inserisce all’interno di uno dei temi cardine dell’attuale ricerca nel campo motoristico: la minimizzazione del consumo di combustibile nei motori ad alto grado di sovralimentazione, sviluppati nell’ottica del downsizing. La possibilità di prevedere l’innescarsi del Mega-Knock consente di ottimizzare la definizione dell’obiettivo di titolo, evitando arricchimenti non necessari in un range di funzionamento del motore che frequentemente viene esplorato nella normale guida su strada. Si tratterà la possibilità di utilizzare una relazione empirica per cercare di arrivare alla previsione dell’insorgere della preaccensione, per poi ricorrere ad opportune strategie motore per evitare il verificarsi del fenomeno; il tutto tramite lo sviluppo di un algoritmo in ambiente MatLab-Simulink

Modello di calcolo per la valutazione delle prestazioni propulsive di un motore ibrido

Questo lavoro di tesi, svolto presso AVIO S.P.A, sede di Colleferro (RM), divisione spazio, si inserisce all'interno del progetto Theseus, che ha come scopo finale lo sviluppo di un dimostratore di un motore ibrido a combustibile solido e ossidante gassoso. In particolare, in questo momento è richiesto un codice di calcolo, preciso ma allo stesso tempo abbastanza contenuto nei tempi di calcolo, che permetta l'analisi e le previsioni della balistica interna di tale motore ibrido. Il codice di calcolo si basa su una versione già esistente per i motori a solido (CUBIC) scritto in ambiente FORTRAN, ed è stato riadattato ai motori ibridi. In particolare è stata scritta una routine per il calcolo della velocità di combustione che tiene conto di diversi fattori, tra cui blowing e il fenomeno di entrainment presente in superficie. Sempre per quanto riguarda la velocità di combustione, nel suo calcolo si tiene conto dell'impingement dell'iniettore sul grano e del valore locale (per quanto riguarda la temperatura di fiamma) dell'O/F. Inoltre è stato anche modellato il comportamento termodinamico delle eventuali protezioni termiche presenti internamente al motore, considerando tutti i fenomeni di pirolisi e ablazione che caratterizzano tali materiali. In fine il modello completo è stato testato e validato grazie al fatto che si disponeva di alcuni tiri al banco di un motore ibrido, effettuati presso il dipartimento di Ingegneria Aerospaziale dell'Università di Napoli Federico II.

Implementazione di una nuova metodologia per la simulazione di un motore sovralimentato ad alte prestazioni

In questo lavoro verrà analizzato lo sviluppo di una nuova modellazione matematica per la simulazione della dinamica del flusso all’interno del sistema di aspirazione per motori sovralimentati. Tale modellazione si basa sulla risoluzione numerica mediante la formulazione proposta da Courant, Isaacson e Rees (CIR) nel 1952 per il set delle equazioni non conservative di Eulero per il caso monodimensionale. L’applicazione attraverso il software Matlab-Simulink di tali discretizzazioni numeriche garantisce la possibilità di calcolare la dinamica del flusso all’interno del condotto. L’innovazione proposta da questo lavoro consiste nel considerare l’intero stato da iterare come un vettore, permettendo di gestire parte delle operazioni da compiere con delle matrici. Questo approccio è stato adottato sia per una maggior velocità di calcolo, sia per rendere più agevole la modifica della geometria, ad esempio in fase di progettazione. La routine di lancio del nuovo modello, infatti, gestirà autonomamente la scrittura delle matrici, a partire dai pochi parametri necessari per la definizione della geometria all’interno del codice. Si andranno quindi a presentare i passaggi più importanti che hanno portato alla scrittura del codice, con particolare attenzione poi alla fase di validazione del modello. Essa sarà basata sia su un altro codice presente in letteratura, modellato anch’esso attraverso risoluzione CIR, sia mediante dati sperimentali utilizzati per la validazione di tale implementazione. Seguirà infine un’analisi dettagliata sui fattori che influenzano, positivamente e negativamente, l’esito delle simulazioni realizzate, come la discretizzazione spaziale e quella temporale, prestando sempre particolare attenzione alla stabilità del metodo.

Componentistica avanzata per Impianti di Combustione a Biomassa

In un quadro internazionale di forte interesse verso uno sviluppo sostenibile e sfide energetiche per il futuro, il DIEM, in collaborazione con altri istituti di ricerca ed imprese private, sta progettando l’integrazione di componentistica avanzata su di una caldaia alimentata a biomasse. Lo scopo finale è quello di realizzare una caldaia a biomasse che produca energia in maniera più efficiente e con un impatto ambientale ridotto. L’applicazione è indirizzata inizialmente verso caldaie di piccola-media taglia (fino a 350 kW termici) vista la larga diffusione di questa tipologia di impianto. La componentistica in oggetto è: - filtro sperimentale ad alta efficienza per la rimozione del particolato; - celle a effetto Seebeck per la produzione di energia elettrica direttamente da energia termica senza parti meccaniche in movimento; - pompa Ogden per la produzione di energia meccanica direttamente da energia termica; La finalità dell’attività di ricerca è la progettazione dell’integrazione dei suddetti dispositivi con una caldaia a biomassa da 290 kW termici per la realizzazione di un prototipo di caldaia stand-alone ad impatto ambientale ridotto: in particolare, la caldaia è in grado, una volta raggiunte le condizioni di regime, di autoalimentare le proprie utenze elettriche, garantendo il funzionamento in sicurezza in caso di black-out o consentendo l’installazione della caldaia medesima in zone remote e prive di allaccio alla rete elettrica. Inoltre, la caldaia può fornire, tramite l'utilizzo di una pompa a vapore o pompa Ogden, energia meccanica per il pompaggio di fluidi: tale opportunità si ritiene particolarmente interessante per l'integrazione della caldaia nel caso di installazione in ambito agricolo. Infine, l'abbinamento di un filtro ad alta efficienza e basso costo consente l'abbattimento delle emissioni inquinanti, favorendo una maggiore diffusione della tecnologia senza ulteriori impatti sull'ambiente.

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.