Institute for Research on Engines (IM)

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Le tematiche di ricerca di lunga tradizione riguardano lo studio della combustione e della generazione degli inquinanti. Le indagini sono condotte, sia in camera di combustione, sia in opportuni simulatori (bombe a volume costante, tubo d'urto, esperimenti su singola goccia) con l'ausilio di tecniche ottiche e di simulazione numerica. Le conoscenze acquisite sono utilizzate per l'ottimizzazione dei processi di combustione e la riduzione delle emissioni inquinanti. Un ulteriore argomento, affrontato con diverse metodologie, è quello della formazione e della misura delle nanoparticelle che è caratteristico della combustione in fase eterogenea ed è un fattore condizionante per lo sviluppo di motori ad accensione comandata ad iniezione diretta.

Le principali tecniche di misura adoperate nel settore dello studio del processo di combustione e della generazione degli inquinanti sono le seguenti:

- Spray imaging (penetrazione dei getti - formazione della miscela)
- Laser Doppler Anemometry (LDA) (misura puntuale della velocità del fluido con due componenti - valutazione della turbolenza.
- Laser Imaging Velocimetry (PIV) (misura 2D della velocità del fluido e di particelle)
- Phase Doppler Shift (PDA) (misura di due componenti della velocità e della dimensione delle gocce (d10, d32) per studi sull'atomizzazione dei getti di combustibile)
- Laser Light Extinction (misura del diametro medio di Sauter)
- Laser Induced Fluorescence (misura della distribuzione di liquido e vapore in camera di combustione)
- GSI-V (sviluppata in IM e applicata dalla TSI per la misura simultanea di velocità e dimensioni di gocce in spray diluiti e densi).
- Forward Thermometry: (tecnica sviluppata in IM per la misura della temperatura di gocce)
- Forward Absorption: (tecnica sviluppata in IM per la valutazione della composizione chimica di gocce durante I processi di evaporazione e combustione)
- UV and Visible Visualisation (Studio della propagazione del fronte di fiamma )
- Emission Spectroscopy - Chemiluminescence (Misura della concentrazione di radicali in fiamma)
- UV Absorption Spectroscopy ( Misura della concentrazione di particolato e di NO)
- Transient Laser Induced Incandescence (tecnica sviluppata in IM per la misura di nanoparticelle)
- Misura di dimensione e distribuzione di particelle (ELPI -Cambustion per la caratterizzazione delle emissioni di Motori a combustione interna)

I codici principalmente utilizzati per la simulazione dei processi che interessano i Motori a Combustione interna sono: Wave ,GT Power, Star-Cd, Kiva3V, Chemkin, Fire

Per i motori ad accensione comandata, sono state sviluppate competenze nei seguenti settori
- Studio e ottimizzazione dei processi di combustione e di formazione degli inquinanti in motori aspirati e sovralimentati (formazione della miscela aria/combustibile, propagazione del fronte di fiamma, combustioni anomale)
- Sviluppo di leggi di controllo di Motori a Combustione Interna (MCI).
- Sviluppo di motori heavy duty e light duty alimentati con combustibili gassosi.

Per lo sviluppo delle leggi di controllo motore sono stati messi a punto due strumenti: 1) per la sintesi, Co-Simulazione integrata ECU-MCI mediante accoppiamento WAVE-Matlab/Simulink; 2) per il testing, stazione di Rapid Control Prototyping per MCI basata su piattaforma multiprocessore della dSpace.

Nell'Istituto opera un gruppo che ha capacità di effettuare attività sperimentale per lo studio, lo sviluppo e l'ottimizzazione di motori heavy duty e light duty alimentati con combustibili alternativi.
In particolare, il gruppo ha sviluppato tale capacità per i combustibili gassosi realizzando impianti e strutture specifiche per le attività che prevedono l'impiego di gas naturale e GPL e con personale specificamente addestrato per operare con tali combustibili. Per la fase sviluppo ed ottimizzazione, il gruppo è in grado di operare sia con protocolli standardizzati di valutazione delle prestazioni e degli inquinanti convenzionali sia con protocolli specifici per la misura di parametri e inquinanti non convenzionali. Inoltre in questi ultimi anni, sono state sviluppate procedure per valutazioni non convenzionali quali la tossicità degli inquinanti allo scarico dei motori. Tutti protocolli possono prevedere il funzionamento del motore sia in stazionario che in dinamico con possibilità di monitorare e processare sia parametri lenti che parametri veloci grazie a specifici impianti di acquisizione di cui il gruppo si è dotato in questi ultimi anni. Particolare attenzione è stata anche riservata ai sistemi di post-trattamento dei gas di scarico dei motori alimentati con combustibili gassosi, con la realizzazione di uno specifico impianto e la definizione di un relativo protocollo per l'invecchiamento veloce dei catalizzatori. Il gruppo ha anche competenza, per attività di studio ed ottimizzazione di piccoli motori due tempi per ciclomotori e motocicli con alimentazione tradizionale o innovativa con e senza sistemi di post trattamento allo scarico.

Recentemente In IM sono maturate notevoli competenze nel settore dello studio e sviluppo della componentistica avanzata. In particolare, in collaborazione di Dell'Orto SPA e de DIME- Federico II sono stati progetteti un sistema VVA di tipo Elettro-Meccanico e uno di tipo Elettro-Idraulico. Gli strumenti utilizzati a tal fine sono stati il CAD elettromagnetico FLUX2D (CEDRAT), per l'analisi agli elementi finiti di modelli magneto-statici/dinamici, e l'ambiente Matlab/Simulink, per le attività di modellistica, identificazione e controllo.

Nel settore dei motori diesel è maturato know-how nei seguenti settori:
- Modellistica termofluidodinamica multidimensionale
- Combustione eterogenea ed i meccanismi di formazione delle specie inquinanti
- Interazione motore-combustibile
- Strategie di controllo elettronico dell'iniezione per motori "common rail"
- Sviluppo di tecniche diagnostiche per la caratterizzazione e del comportamento termo-chimico di combustibili liquidi .
- Sistemi di combustione innovativi per m.c.i.

Nel settore della Modellistica multidimensionale sono stati affrontati i problemi legati alla simulazione di geometrie complesse e sono stati sviluppati sub-modelli fisici affidabili per la simulazione congiunta dei meccanismi di combustione e di formazione della fuliggine e degli NOx. Sono inoltre in fase avanzata studi importanti legati alla possibilità di migliorare gli schemi di soluzione numerica dei codici ai fini di ridurre di un ordine di grandezza il tempo di calcolo rispetto agli schemi convenzionali.

Nel settore della combustione eterogenea e dei meccanismi di formazione delle specie inquinanti si è messa a punto una metodologia integrata, basata sull' utilizzo di sperimentazione su tubo d'urto ed utilizzo del tool numerico "Chemkin", al fine di testare schemi cinetici per i meccanismi di formazione delle specie inquinanti semplificati utili all'impego in codici CFD. Sono stati quindi definiti i protocolli per un'indagine sperimentale off-engine sui meccanismi di formazione delle nanoparticelle in condizioni di combustione semi-omogenea.

Nel settore dell'interazione motore diesel-combustibili, sono stati sviluppati i protocolli e le metodologie di prova per valutare, su motori di ultima generazione l'impatto della formulazione di gasoli e combustibili di derivazione sintetica sul processo di combustione e sulle emissioni. Numerose esperienze sono maturate in merito al comportamento di combustibili alternativi di origine vegetale (metilesteri, oli vegetali, oli di pirolisi) nonché di emulsioni di tali oli in gasoli commerciali.
Nell'ambito delle attività sui sistemi di combustione innovativi sono state analizzate le possibilità offerte, nel controllo congiunto delle emissioni di Soot e di NOx, da un sistema di combustione innovativo basato sulla tecnica della combustione super-diluita. Su questa specifica tematica l'Istituto ha conseguito 2 brevetti.

Le principali competenze connesse allo studio dell'interazione veicolo-motore-ambiente riguardano:
- modellistica delle emissioni allo scarico di veicoli (autovetture, ciclomotori, motocicli, mezzi commerciali leggeri, bus) in funzione di condizioni operative reali. L'attivita' di ricerca in questo settore, condotta anche in collaborazione con la rete di laboratori europei che operano in questo campo, ha riguardato lo sviluppo e la validazione sperimentale di una modellistica che, sulla base di misure condotte in laboratorio, simulando condizioni di funzionamento statisticamente significative e rappresentative dell'utilizzo reale, valuta le emissioni in funzione delle caratteristiche tecnologiche e dei parametri funzionali del sistema veicolo-combustibile-motore.
- sviluppo ed applicazione di tecniche per la caratterizzazione e la misura delle emissioni regolate e non regolate (Composti Organici Volatili, Composti Carbonilici, Idrocarburi Policiclici Aromatici). L'attività di ricerca ha utilizzato la tecnica FT-IR e l'introduzione di tracciante (SF6) per la determinazione simultanea della portata dei gas di scarico e delle concentrazioni istantanee di diverse specie inquinanti, alcune delle quali di recente interesse (ammoniaca e protossido di azoto).
- sviluppo di tecniche di rivelazione non convenzionali per la caratterizzazione fisica, chimica ed ottica delle sostanze carboniose particellari emesse da motori a c. i., in particolare di quelle a composizione organica con dimensioni di pochi nanometri.

Nell'ambito della tematica Metodi statistici per l'Affidabilità dei sistemi di propulsione sono presenti in Istituto Motori competenze che abbracciano i modelli stocastici ed i metodi di statistica applicata utilizzati nell'ambito dell'ingegneria, con particolare riferimento a:
- Modelli stocastici per la descrizione del processo di guasto di sistemi meccanici riparabili sottoposti a differenti politiche di manutenzione (revisioni periodiche, manutenzione correttiva e/o preventiva,...)
- Modelli stocastici della durata di vita di componenti elettronici e meccanici, soggetti a una o più modalità di guasto e/o sottoposti a differenti condizioni d'impiego.
- Modelli per l'analisi dell'affidabilità di componenti e sistemi riparabili sottoposti a prove di durata accelerate.
- Modelli per l'analisi del processo di crescita dell'affidabilità di componenti e sistemi riparabili sottoposti a programmi di sviluppo.
- Modelli e metodi di stima previsionale della qualità del servizio di sistemi di trasporto (ferroviari, su gomma,...).
- Procedure di stima dell'affidabilità e di previsione dei tempi al guasto di componenti e sistemi riparabili basati sul principio della massima verosimiglianza e sul metodo dei minimi quadrati.
- Procedure inferenziali dell'affidabilità di componenti e sistemi riparabili in presenza di conoscenze e/o informazioni tecnologiche sul fenomeno di guasto (e sulla politica di riparazione) dell'unità in esame (statistica Bayesiana).
- Procedure per la verifica dell'ipotesi di adeguatezza di un modello stocastico al fenomeno o processo di guasto osservato.

Nell'ambito dello sviluppo di sensori innovativi per gas di scarico e di dispositivi per lo storage di combustibili si sono sviluppate competenze circa:
- Sintesi e caratterizzazione con metodi ad alta temperatura con schemi di tipo "Aerosol routes"di materiali nanostrutturati organici (nanotubi, nanocapsule di carbonio) e inorganici (nanotubi di ossidi metallici ZnO, SnO2) per applicazioni di sensoristica di inquinanti gassosi (tipo NOx, CH4, CO etc) e di gas puri (O2, H2) in tracce (ppm).
- Caratterizzazione di cluster frattali carboniosi, tipici dei sistemi di combustione, su scala nanometrica con metodologie "in-situ" (light scattering statico) e "ex-situ" (prelievo e image analysis).
- Uso di sistemi di analisi e prelievo in linea del settore Aerosol (Authomatic Diffusion Batteries, Vacuum Impactor, Thermal Precipitator) e analisi di Materiali (XRD, DRIFT, SEM, TEM)

Infine, recentemente sono maturate notevoli competenze in merito alla produzione catalitica di idrogeno da materie prime fossili e rinnovabili e nell'utilizzo dell'idrogeno nelle fuel cell per la trazione