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 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.

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.

Development of multicomponent models for the prediction of lubricant oil-fuel dilution in internal combustion engines

The current environmental crisis is forcing the automotive industry to face tough challenges for the Internal Combustion Engines development in order to reduce the emissions of pollutants and Greenhouse gases. In this context, in the last decades, the main technological solutions adopted by the manufacturers have been the direct injection and the engine downsizing, which led to the rising of new concerns related to the fuel-cylinder walls physical interaction. The fuel spray possibly impacts the cylinder liner wall, which is wetted by the lubricant oil thus causing the derating of the lubricant properties, increasing the oil consumption, and contaminating the lubricant oil in the crankcase. Also, concerning hydrogen fuelled internal combustion engines, it is likely that the high near-wall temperature, which is typical of the hydrogen flame, results in the evaporation of a portion of the lubricant oil, increasing its consumption. With regards on the innovative combustion systems and their control strategies, optical accessible engines are fundamental tools for experimental investigations on such combustion systems. Though, due to the optical measurement line, optical engines suffer from a high level of blow-by, which must be accounted for. In light of the above, this thesis work aims to develop numerical methodologies with the aim to build useful tools for supporting the design of modern engines. In particular, a one-dimensional modelling of the lubricant oil-fuel dilution and oil evaporation has been performed and coupled with an optimization algorithm to achieve a lubricant oil surrogate. Then, a quasi-dimensional blow-by model has been developed and validated against experimental data. Such model, has been coupled with CFD 3D simulations and directly implemented in CFD 3D. Finally, CFD 3D simulations coupled with the VOF method have been performed in order to validate a methodology for studying the impact of a liquid droplet on a solid surface.

Studio degli indici di Lick come traccianti evolutivi in galassie passive

Le galassie passive sono sistemi dominati da popolazioni stellari vecchie, non mostrano tracce di formazione stellare (spettri compatibili con assenza di righe in emissione e caratterizzati da righe in assorbimento), e ci sono evidenze osservative che indicano che le galassie passive abbiano iniziato ad assemblare la loro massa stellare a z. Gli spettri delle galassie passive conservano traccia dei meccanismi fisici ed evolutivi della loro popolazione stellare. Laddove si hanno a disposizione spettri di buona qualità, ovvero che abbiano un rapporto segnale-rumore elevato, l’informazione contenuta in tali spettri può essere dedotta dalla misura dell’intensità di alcune righe in assorbimento. Burstein et al. (1984) hanno costruito un insieme di indici spettroscopici, chiamato sistema di indici di Lick, i quali misurano l’intensità delle principali righe in assorbimento (nella regione di lunghezze d’onda ottiche tra 4000-6000 Å), in termini di larghezza equivalente. in questa tesi è stato adottato il metodo degli indici di Lick per stimare i parametri evolutivi di un campione di galassie passive. Gli obiettivi principali di questa tesi sono due: 1.) studiare l’evoluzione col redshift dei parametri di età, metallicità totale e abbondanze relative di elementi α rispetto al ferro di un campione di galassie estratto spettroscopicamente dalla SDDS (Moresco et al., 2011). L’obiettivo finale è quello di dedurre informazioni sulla storia di formazione stellare delle galassie del campione. 2.) realizzare una simulazione per valutare la possibilità di misurare gli indici di Lick negli spettri di galassie passive che verranno osservate con la missione futura Euclid. Da questo studio è emerso un chiaro andamento evolutivo del campione in linea con quello previsto dallo scenario evolutivo del mass-downsizing, per il quale la SFH di una popolazione stellare è fortemente vincolata dalla massa della popolazione stessa, nel senso che al crescere della massa la formazione delle galassie passive si colloca in epoche progressivamente più remote, e l’assemblaggio della loro massa stellare avviene in tempi scala via via inferiori. Dalla simulazione è emerso un risultato molto importante che deriva dalla robustezza delle misure del D4000 e riguarda la possibilità di determinare il redshift di galassie a z ≥ 1.5 con Euclid.

Vincoli sulla storia di espansione dell’Universo tramite cronometri cosmici nella survey VANDELS

Nel presente lavoro di tesi viene selezionato e analizzato un campione di galassie passive estratte dalla survey VANDELS, con cui condurre uno studio cosmologico basato sul metodo dei cronometri cosmici. Tale metodo rappresenta una sonda cosmologica non standard, che consente di misurare il parametro di Hubble in maniera indipendente dalla cosmologia valutando l’invecchiamento di una popolazione di galassie molto massive e in evoluzione passiva in un dato intervallo di redshift. Per applicare il metodo viene selezionato un campione di cronometri cosmici incrociando diversi criteri complementari, sia fotometrici che spettroscopici, tali da minimizzare la contaminazione da formazione stellare attiva. Il campione ottenuto ha ⟨log(M⋆/M⊙)⟩=10.86±0.03, ⟨log(sSFR/yr−1)⟩=-11.9±0.1 e ⟨EW[OII]⟩=3.3±0.2 Å. Dallo studio delle proprietà spettroscopiche, in particolare degli indici sensibili all’età, esso mostra un progressivo invecchiamento al diminuire del redshift ed evidenza di mass-downsizing. Per la stima delle età si adotta la tecnica del full-spectral fitting, sia sugli spettri che sulla fotometria disponibili, utilizzando il codice Bagpipes. Dai risultati del fit emerge che le galassie individuate hanno, come atteso, metallicità mediamente sotto-solari (⟨Z/Z⊙⟩=0.44±0.01), bassa estinzione da polvere (⟨AV,dust⟩=0.43±0.02 mag) e una fase di formazione stellare breve (⟨τ⟩=0.28±0.02 Gyr). A partire da questi viene costruita la relazione età-redshift mediana per il campione finale di 39 galassie, esplorandone la robustezza con diverse assunzioni di prior e binnaggio. Fittata con un modello fΛCDM, essa permette di ricavare una stima per la costante di Hubble pari a H0 = 67^+14_−15 km/s/Mpc. Infine, con la stessa relazione si applica il metodo dei cronometri cosmici, ottenendo una nuova stima del parametro di Hubble, H(z=1.26) = 135±62 km/s/Mpc. Nell’errore si è tenuto conto anche degli effetti sistematici introdotti dalla scelta del binning e della SFH nel modello di fit.