Implementazione e validazione di un modello di accensione per motori a combustione interna

Nell'ambito dei motori ad accensione comandata, la comprensione del processo di accensione e delle prime fasi di sviluppo del kernel è di primaria importanza per lo studio dell'intero processo di combustione, dal momento che questi determinano lo sviluppo successivo del fronte di fiamma. Dal punto di vista fisico, l'accensione coinvolge un vasto numero di fenomeni di natura molto complessa, come processi di ionizzazione e passaggio di corrente nei gas: molti di questi avvengono con tempi caratteristici che ne impediscono la simulazione tramite le attuali tecniche CFD. Si rende pertanto necessario sviluppare modelli semplificati che possano descrivere correttamente il fenomeno, a fronte di tempi di calcolo brevi. In quest'ottica, il presente lavoro di tesi punta a fornire una descrizione accurata degli aspetti fisici dell'accensione, cercando di metterne in evidenza gli aspetti principali e le criticità. A questa prima parte di carattere prettamente teorico, segue la presentazione del modello di accensione sviluppato presso il DIN dell'Università di Bologna dal Prof. Bianche e dall'Ing. Falfari e la relativa implementazione tramite il nuovo codice CONVERGE CFD: la validazione è infine condotta riproducendo un caso test ben noto il letteratura, che mostrerà un buon accordo tra valori numerici e sperimentali a conferma della validità del modello.

Morphological and Magnetic Properties of Superparamagnetic Carbon-Coated Fe Nanoparticles Produced by Arc Discharge.

Spherical carbon coated iron particles of nanometric diameter in the 510 nm range have been produced by arc discharge at near-atmospheric pressure conditions (using 58·10 4 Pa of He). The particles exhibit a crystalline dense iron core with an average diameter 7.4 ± 2.0 nm surrounded by a sealed carbon shell, shown by transmission electron microscopy (TEM), selected-area diffrac- tion (SAED), energy-dispersive X-ray analysis (STEM-EDX) and electron energy loss spectroscopy (EELS). The SAED, EDX and EELS results indicate a lack of traces of core oxidized phases showing an efficient protection role of the carbon shell. The magnetic properties of the nanoparticles have been investigated in the 5300 K temperature range using a superconducting quantum interference device (SQUID). The results reveal a superparamagnetic behaviour with an average monodomain diameter of 7.6 nm of the nanoparticles. The zero field cooled and field cooled (ZFC-FC)magnetization curves show a blocking temperature (TB)at room temperature very suitable for biomedical applications (drug delivery, magnetic resonance imaging MRI, hyperthermia).

Morphological and Magnetic Properties of Superparamagnetic Carbon-Coated Fe Nanoparticles Produced by Arc Discharge.

Spherical carbon coated iron particles of nanometric diameter in the 5-10 nm range have been produced by arc discharge at near-atmospheric pressure conditions (using 5-8·10 4 Pa of He). The particles exhibit a crystalline dense iron core with an average diameter 7.4 ± 2.0 nm surrounded by a sealed carbon shell, shown by transmission electron microscopy (TEM), selected-area diffrac- tion (SAED), energy-dispersive X-ray analysis (STEM-EDX) and electron energy loss spectroscopy (EELS). The SAED, EDX and EELS results indicate a lack of traces of core oxidized phases showing an efficient protection role of the carbon shell. The magnetic properties of the nanoparticles have been investigated in the 5-300 K temperature range using a superconducting quantum interference device (SQUID). The results reveal a superparamagnetic behaviour with an average monodomain diameter of 7.6 nm of the nanoparticles. The zero field cooled and field cooled (ZFC-FC)magnetization curves show a blocking temperature (TB)at room temperature very suitable for biomedical applications (drug delivery, magnetic resonance imaging-MRI-, hyperthermia).

Structural transformation of graphite by arc-discharge

The formation of novel structures by the passage of an electric current through graphite is described. These structures apparently consist of hollow three-dimensional graphitic shells bounded by curved and faceted planes, typically made up of two graphene layers. The curved structures were frequently decorated with nano-scale carbon particles, or short nanotubes. In some cases, nanotubes were found to be seamlessly connected to the thin shells, indicating that the formation of the shells and the nanotubes is intimately connected. Small nanotubes or nanoparticles were also sometimes found encapsulated inside the hollow structures, while fullerene-like particles were often seen attached to the outside surfaces. With their high surface areas and structural perfection, the new carbon structures may have applications as anodes of lithium ion batteries or as components of composite materials.

Novel bilayer graphene structures produced by arc-discharge

A new form of carbon is described, which consists of hollow, three-dimensional shells bounded by bilayer graphene. The new carbon is produced very simply, by passing a current through graphite rods in a commercial arc-evaporation unit. Characterisation of the carbon using high resolution transmission electron microscopy is described, and the possible formation mechanism discussed.

Modellazione CFD dell'Idrogeno Gassoso nell’Impiego come Combustibile Sintetico in Motori ad Accensione Comandata

L’aumento della quantità di inquinanti emessi in atmosfera, legati all’attività antropica che si è osservato negli ultimi anni, ha portato all’emanazione di normative allo scopo di migliorare la qualità dell’aria e mitigare il cambiamento climatico. I settori responsabili di queste emissioni sono molteplici ma quello dei trasporti risulta essere uno dei maggiori indagati, condizione che ha portato ad una maggiore complessità dei motori a combustione interna, cercando così di ridurre l’impatto che hanno sull’ambiente, il clima e la salute umana. Nonostante tutto, l’abbassamento continuo dei limiti massimi, relativi alla quantità di sostanze che possono essere emesse dai veicoli, ha spinto le case automobilistiche a ricercare nuovi sistemi di propulsione. In questo contesto di riduzione degli inquinanti, sta assumendo una posizione di rilievo la scelta di utilizzare l’idrogeno come combustibile alternativo, concetto che verrà approfondito in questa tesi. Tenendo presente che un ciclo motore è suddiviso in 4 fasi: aspirazione, compressione, espansione e scarico, nell’elaborato di questa tesi, verranno analizzate la sola compressione e successiva combustione sfruttando il software di simulazione AVL FIRE. Lo studio prevede la realizzazione di un modello in grado di descrivere e simulare in maniera realistica il fenomeno di combustione dell’idrogeno e la definizione di una procedura per la caratterizzazione dei parametri di iniezione, prestando particolare attenzione all’influenza che questi hanno sul processo di formazione della miscela in modo da giungere ad una configurazione ottimale. Inizialmente sarà utilizzata una geometria con un iniettore a foro singolo posizionato centralmente, la quale progressivamente verrà modificata allo scopo di ottenere una rappresentazione sempre più simile alla condizione reale.

Pulsed plasma thruster ignition system: investigation, test design and results

Fra i sistemi di propulsione elettrica per satelliti, il Pulsed Plasma Thruster, PPT, è quello dal design più semplice. È anche il primo sistema di propulsione elettrica utilizzato in un satellite artificiale, ossia ZOND-2 lanciato nel 1964 dall’Unione Sovietica. Tuttavia, dopo circa 50 anni di ricerca, la comprensione teorica e sperimentale di questo dispositivo rimane limitata. Questo elaborato di tesi magistrale indaga sul sottosistema di accensione del PPT, cercando di mettere in luce alcuni aspetti legati al lifetime della spark plug, SP. Tale SP, o candela, è l’attuatore del sottosistema di accensione. Questa produce una scintilla sulla sua superficie, la quale permette la realizzazione della scarica elettrica principale fra i due elettrodi del motore. Questa scarica crea una sottile parete di plasma che, per mezzo della forza elettromagnetica di Lorentz, produce la spinta del PPT. Poiché la SP si trova all’interno del catodo del motore e si affaccia nella camera di scarica, questa soffre di fenomeni di corrosione e di deposizione carbonacea proveniente dal propellente. Questi fenomeni possono limitare notevolmente il lifetime della SP. I parametri connessi alla vita operativa della SP sono numerosi. In questo elaborato si è analizzata la possibilità di utilizzare una elettronica di accensione della candela alternativa alla classica soluzione che utilizza un trasformatore. Il sottosistema di accensione classico e quello nuovo sono stati realizzati e testati, per metterne in luce le differenze ed i possibili vantaggi/svantaggi.

Modellistica di accensione per candele ad arco elettrico in motori a combustione interna alternativi

Nel panorama mondiale di contenimento delle emissioni inquinanti in atmosfera é divenuto sempre più importante limitare la parte derivante dai motori a combustione interna: l'utilizzo di motori GDI a carica stratificata e di ricircolo dei gas di scarico (EGR) sono esempi di tecnologie pensate proprio in tale ottica. Sia la presenza di un ambiente magro che di EGR nel cilindro, come anche l'aumento della pressione nel cilindro per l'incremento della pressione di sovralimentazione o del rapporto di compressione, hanno lo svantaggio di limitare la velocità di combustione e rendere più sfavorevoli le condizioni di accensione della miscela; in questo scenario diviene di fondamentale importanza il miglioramento dei sistemi di accensione, la creazione di modelli volti a simularli e la comprensione dei fenomeni che ne stanno alla base. Il seguente lavoro di tesi si inserisce proprio in questo contesto, indagando le varie fasi di cui si compone il fenomeno dell'accensione e le relazioni che legano le variabili di interesse fisico, verificate sulla base di evidenze sperimentali. Successivamente vengono analizzati i principali modelli d'accensione che sono stati proposti e implementati in codici computazionali fluidodinamici; l'analisi mette in luce le differenze, i punti di forza e le semplificazioni introdotte in ognuno di essi, in modo da poterli valutare criticamente. La suddetta analisi é anche utile per introdurre il modello frutto del lavoro del gruppo di ricerca dell'Università di Bologna; ci si concentra particolarmente su quest'ultimo poiché un obiettivo di questo lavoro di tesi é stato proprio l'implementazione e l'utilizzo del modello in un codice fluidodinamico tridimensionale quale CONVERGE CFD. L'implementazione é stata poi validata attraverso simulazioni su una geometria reale di un motore a combustione interna ad elevate prestazioni, confrontando i risultati ottenuti con il nuovo modello rispetto ai dati sperimentali sulla combustione.

Recent advances in the preparation and utilization of carbon nanotubes for hydrogen storage

Recent progress in the production, purification, and experimental and theoretical investigations of carbon nanotubes for hydrogen storage are reviewed. From the industrial point of view, the chemical vapor deposition process has shown advantages over laser ablation and electric-arc-discharge methods. The ultimate goal in nanotube synthesis should be to gain control over geometrical aspects of nanotubes, such as location and orientation, and the atomic structure of nanotubes, including helicity and diameter. There is currently no effective and simple purification procedure that fulfills all requirements for processing carbon nanotubes. Purification is still the bottleneck for technical applications, especially where large amounts of material are required. Although the alkali-metal-doped carbon nanotubes showed high H-2 Weight uptake, further investigations indicated that some of this uptake was due to water rather than hydrogen. This discovery indicates a potential source of error in evaluation of the storage capacity of doped carbon nanotubes. Nevertheless, currently available single-wall nanotubes yield a hydrogen uptake value near 4 wt% under moderate pressure and room temperature. A further 50% increase is needed to meet U.S. Department of Energy targets for commercial exploitation. Meeting this target will require combining experimental and theoretical efforts to achieve a full understanding of the adsorption process, so that the uptake can be rationally optimized to commercially attractive levels. Large-scale production and purification of carbon nanotubes and remarkable improvement of H-2 storage capacity in carbon nanotubes represent significant technological and theoretical challenges in the years to come.

Projecto e implementação de uma fonte de alta tensão para produção de descargas eléctricas

O objetivo deste trabalho consistiu em projetar, construir e testar um protótipo em laboratório de uma fonte de alimentação de alta tensão que permita descargas elétricas {estáveis e de dimensões reduzidas}, de modo a que possa ser utilizada, dada a sua essencialidade, na fabricação de redes de período longo (LPG) em fibra ótica nos chamados turning points. Estes são pontos de elevada sensibilidade, fundamentais no desenvolvimento tecnológico de sensores em fibra ótica, em particular, de sensores refractométricos. O protótipo da fonte de alimentação é composto por um regulador do tipo BUCK, um inversor para alimentação do transformador de alta tensão, o circuito de realimentação e controlo PWM e um microcontrolador para o comando da fonte. Posteriormente procedeu-se à otimização dos parâmetros de descarga, o que conduziu a fabricação de redes de período longo com períodos inferiores a 150 micrómetros. Este é um resultado sem paralelo a nível internacional no que concerne ao uso da técnica do arco elétrico.

Hollow structures with bilayer graphene walls

The formation of three-dimensional shell-like structures with bilayer graphene walls is described. The structures are produced by the passage of an electric current through graphite in an arc-discharge apparatus. High resolution transmission electron microscopy is used to characterize the carbon, and provides evidence that the structures are three-dimensional rather than flat. A striking feature of the material is that it contains bilayer nanotubes seamlessly joined to larger shell-like regions. The possible growth mechanism of the carbon is discussed, and potential applications considered.

Double-walled carbon nanotubes synthesized using carbon black as the dot carbon source

Double- walled carbon nanotubes (DWNTs) were synthesized used carbon black as the dot carbon source by a semi-continuous hydrogen arc discharge process. High-resolution transmission electron microscopy (HRTEM) observations revealed that most of the tubes were DWNTs with outer and inner diameters in the range of 2.67 - 4 nm and 1.96 - 3.21 nm, respectively. Most of the DWNTs were in a bundle form of about 10 - 30 nm in diameter with high purity ( about 70%) from thermal gravimetric analysis (TGA), resonant laser Raman spectroscopy, scanning electron microscopy (SEM) and TEM characterizations. It was found that carbon black as the dot carbon source could be easy controlled to synthesize one type of nanotube. A simple process combining oxidation and acid treatment to purify the DWNT bundles was used without damaging the bundles. The structure of carbon black, as the key element for influencing purity, bundle formation and purification of DWNTs, is discussed.

Temperature-insensitive long period grating sensors in photonic crystal fibre

A long period grating has been fabricated in endlessly single-mode photonic crystal fibre using a spatially-periodic electric arc discharge. The sensing characteristics of the grating have been studied and it was found to possess an insensitivity to temperature, a bend sensitivity of 3.7 nm · m and a strain sensitivity of -2.0 pm/µe.

Temperature-insensitive long period grating sensors in photonic crystal fibre

A long period grating has been fabricated in endlessly single-mode photonic crystal fibre using a spatially-periodic electric arc discharge. The sensing characteristics of the grating have been studied and it was found to possess an insensitivity to temperature, a bend sensitivity of 3.7 nm · m and a strain sensitivity of -2.0 pm/µe.