Institute for Research on Engines (IM)

Type
Label
  • Institute for Research on Engines (IM) (literal)
  • Istituto motori (IM) (literal)
Comment
  • SCIENTIFIC CONNOTATION Istituto Motori (IM) was founded in 1940 and inaugurated on 10th april 1940 as Istituto Nazionale dei Motori, with the statutory task to perform studies and research of scientific and technological kind in the field of engines, their components and the related chemical-physical phenomena. Istituto Motori is the only Italian institute qualified for studies and experimental researches on internal combustion engines. It works in synergy with the University and other national and international research institutions. In particular, the IM carries out research activity (both fundamental and applied) on propulsion systems (thermal and/or electrical), on the cinematic chains for the traction, on the diagnostics of thermal and fluid dynamic processes, on the systems of management, regulation and control, on environment-friendly systems for pollutant emissions after-treatment, on the chemical technology for treatment and management of liquid and/or gaseous fuels, and on the methodology for the reliability analysis of the propulsion system and its subsystems. In the last years, the IM has played a leading role, co-operating with industrial partners, in the technological evolution of both the internal combustion engine and the fuels; it gave original and tangible contributions to the realization, from the national companies, of low-emission vehicles, complying with the severe UE regulations. IM has carried out, with autonomous determination and planning, the activity of fundamental and applied research, transferring the results to the scientific community and the companies working in the field, along with pre- and post-degree formation. In fact it has taken part to several National, European, International research programs, in active contracts with manufacturing companies, in the coordination committees of several international associations and in the organization of seminars and scientific conventions. Particular attention has been given to pre- and post-degree formation, through scholarships, Ph.D. and research grants, in cooperation with the main Italian Universities. IM is currently organized in five Departments: fluid dynamics and combustion, spark ignition engines and fuels, diesel engines and fuels, regulations and environment, statistics and reliability. The current guidelines of the research activities originate in the growing public awareness about the environmental impact. The automotive research has been paying greater and greater attention to the study of the formation of gaseous and particulate polluting species, as well as to the use of reformulated gaseous and liquid fuels. A wide number of active lines of research at IM can be traced back to this frame of reference: the experimental characterization of the particulate formation both in custom - made combustion reactors (combustion bombs, shock tube etc.), and in engines with optical access; the application of diagnostic techniques with high time and space resolution (absorption and scattering of the laser light, UV-visible spectroscopy, digital imaging, fast sampling of the species in the combustion chamber); the dimensional and morphological characterization of particulate matter in the engine exhaust and its comparison with the results from electronic microscopy; the study of the physical-chemical processes inside drops of combustible liquids, alternative and renewable, during the combustion phase by means of novel laser techniques; the analysis through new-concept LIDAR techniques of anthropic aerosols, to monitor their distribution in the urban atmosphere; the study of high-pressure diesel jets up to 2000 bars (penetration, cone angle and drop dimension). Among the fields where the IM can claim a sound experience, there is the numerical simulation of the phenomena taking place in the engine cylinder: the multi-dimensional fluid dynamic codes available on market (KIVA, FIRE, etc.) are optimized and integrated with phenomenological models of turbulence, jets, combustion and particulate formation. Well-established activities deal with the use of gaseous fuel, such as compressed natural gas (CNG), either in modified diesel engines and in modified diesel engines, and liquefied petroleum gas (LPG), in spark ignition engines for road transport. The IM has been actively joining the projects and the networks of the European Union in cooperation with the main automotive and oil companies, in the field of both engine development and reformulated liquid fuels. The Chemical Laboratory can rely on instrumental equipment for the analysis of organic micro-polluting species (Policyclic Aromatic Hydrocarbons, Volatile Organic Compounds, Carbossilic Compounds, Dioxins) emitted at i.c.e. exhaust, harmful for the mankind and the environment. In the field of spark ignition engines, current topics of interest are the catalytic conversion of gaseous emissions and the model-based electronic control of modern multi-point injection engines. With reference to the vehicle-engine-atmosphere interaction, the Institute contributed to the layout and development of the pilot project ATENA, in collaboration with the Naples Municipality, Centro Ricerche Fiat and Elasis, aimed to develop a model to estimate the emissions of bi-power Fiat Marea cars in actual utilization. In the field of reliability, innovative methodologies for the analysis of the reliability of the repairable mechanical systems are developed, through new stochastic models able to describe various processes of breakdown and/or maintenance policy, and through new estimation procedures. As far as the education activities are concerned, the Institute works in a thematic context that includes several scientific disciplines. The Institute has always accommodated, for the bachelor theses, about 10 students per year, with average thesis length greater than 12 months. A high number of seminars are organized, also with automotive companies, in the fields of competence. Knowledgeable researchers of the Institute have been appointed as professors with Italian University, for cycles of three years, holding courses of Internal Combustion Engines, Fluid Dynamics and Combustion of I.C.E., Applied Chemistry, Theory and Statistical Methods of Reliability. The close and firm relationships with the European, American and Japanese University often see the researchers of the Institute in quality of \"Visiting Scientist\" or \"Invited Lecturer\" in such structures. Activity of \"referee\" and/or collaboration in quality of members of the editorial board of scientific publications is regularly carried out. In compliance with the enforced norms, the IM is funding (totally or in part) Ph.D. grants, in the framework of conventions with the University of Naples Federico II and the University of L'Aquila; the activities are carried out in the laboratories of the IM. Finally, several C.N.R. fellowships have been granted, funded by the C.N.R., private companies and other agencies. In the years to come, the Institute plans to establish a three-year course of specialization in the field of the \"Internal combustion engines and advanced energetic systems\", aimed to promote the formation of multi-disciplinary experts in the field. Istituto Motori carries out an intense activity of dissemination of results, through seminars, national and international congresses and participation to international organism. In particular, it organizes the ICE biennial congress, which periodically outlines the state of art of the automotive research, thanks to the participation of approximately 200 experts from all over the world. It is in the Executive Committee of the International Energy Agency for the Implementing Agreement \"Energy Conservation in Combustion and Emissions Reduction\", together with members from other ten countries. It has activated the Italian Section of the International Society of Automotive Engineer (SAE), with 350 members, aimed to the international cooperation, scientific spreading on mobility and student formation for the participation to SAE Formula, periodically held in the USA. The Istituto Motori is one of \"Full members\" of EARPA \"European Automotive Research Partners Association\" established in 2002. Objectives of Association are the information exchange on European programs (FP6), co-operation and co-ordination of members on research programs and building relationship with the European Commission, European Parliament and industrial stakeholders in the automotive sector. RESOURCES After the earthquake of 1980 which hard damaged all the institute plant, the C.N.R. deliberated to demolish and to reconstruct the Offices Building by own financings. The new building, completed in 22 months and inaugurated in February 1990 in occasion of 50 years of the Institute activity, includes light Laboratories, Offices and Studies, Library, Conference Room (160 places), Historical Museum, Business Catering (100 places), Garage (for 80 cars). In the 1991 the U.E. approved a research project, suggested by the Director of the Institute, in order to support the research and the technological development in the transportation sector, in the southern regions of Italy, recognizing to the Istituto Motori the level of \"excellence\" in communitarian within. That allowed the Institute to combine to the CNR-MISM understanding program a large additional U.E financing., used for the purchase of great equipment for the search, for the modernization of the technological systems and for the construction of new test rooms and of the foresteria (9 rooms). The laboratories have further equipped by more modern technological systems for the treatment of the air inhaled from engines, of the water cooling, of technical gas distribution, of exhaust gases extraction, as well as of the most modern emergency equipments for the utilization of gaseous fuels as the hydrogen, the natural gas and the GPL. Survey systems and centralized fire signaling have been further installed. Moreover in the fuel store an automatic extinction system has been also installed. The actual plant of the Istituto Motori one extends on a surface of 12,752 mq, of which 4,627 occupied by buildings, for a total volume of 42,763 mc. The real estate value is estimated 41 billions (italian lire), that one of the technological systems is estimated around 20 billions and that one of the search equipments around 40 billions. The institute activity includes 40% of base research financed in part by the CNR and part by agreements stipulated with Public Agencies; 45% of applied research financed by active contracts with the industry, the UE and National Plans of Research; 10% of formation for graduates, doctorate and post-doctorate; 5% of consulting to National Departments and National and International Agencies. On 1° January 2003, after the staff retirements in recent years, Istituto Motori comprises 86 units of staff, of which 45 are Technicians and Administrative employees, and 41 Researchers and Technologists. The organic plant of the institute previews 128 units of staff. LABORATORIES In the recent refurbishment, the former laboratories have been upgraded to the most recent normative and integrated with new spaces, aimed to fundamental studies on thermal- fluid- dynamics, to applied research on new generation direct injection engines and to the conversion of energy for hybrid thermal-electrical and electrical vehicles with Fuel Cells. Worth of mention are the following: · Cell for the study of in-cylinder fluid dynamics, with Laser Doppler Anemometry (LDA) technique in real engines; · Cell for the fluid dynamic study of intake and exhaust systems, operating on a dynamic flow-bench, by means of particle image velocimetry (PIV); · Cell for the dimensional and morphological characterization of particulate matter at the exhaust of \"common rail\" diesel engines up to 100 kW, with laser light absorption and scattering techniques; · Cell for the study of mixture formation, combustion and formation of particulate matter in optically accessible d.i. diesel engines (AVL), by means of digital visualization, Phase Doppler Particle Analyzer (PDPA), spectroscopy in the UV-visible range, and laser light absorption and scattering; · Test Cell for the experimental study of the systems of energy conversion, based on Fuel Cell, fed by hydrogen, up to 50 kW (electrical); · Laboratory for the study catalytic production processes of the H2 from liquid and gaseous fuels. · Laboratory for the study of the evaporation of combustible mixtures and of the formation of solid and gaseous pollutants, in systems at controlled pressure and temperature; · Test cell to measure of the emissions from engines up to 400 kW; · Cell for dynamic tests of engines fueled with compressed natural gas (CNG) or GPL up to 400 kW; · Laboratory for the development of new strategies of \"model-based\" electronic control for spark ignition engines of gross power up to 600 kW; · Laboratory for low-duty Fuel Cells vehicles, of Fiat Multipla class; · Laboratory for the study of the thermal- and fluid- dynamics of high-pressure fuel jets, operating at well-controlled pressure and temperature, by means of fast photography, extinction and scattering of the laser light; · Laboratory for the study of the base combustion processes of commercial and alternative fuels by means of optical techniques; the study of the kinetics of formation of pollutants and sub-micron particulate species in \"shock tube\" systems; for the development of optical diagnostics; · Electronics laboratory for the development of systems of engine diagnostic and mapping of electronic control units; · High dynamics test bench for the characterization and optimization of advanced propulsion systems. · Cell for dynamic tests on electrical propulsion fuel cells systems up to 100 kW (CRAC Trasporti). · Laboratory for the experimental study of vehicle environmental impact with relation to driving behaviour, traffic situation and road characteristics based on the integration of driver simulator, vehicle on dynamometer chassis and gaseous and particle pollutants measurement system (literal)
  • L’Istituto Motori del Consiglio Nazionale delle Ricerche, sin dalla sua fondazione avvenuta nel 1940, svolge attività di ricerca di base e di supporto allo sviluppo tecnologico nei settori della conversione dell’energia e della protezione dell’ambiente. Principale campo d’interesse è quello dei motori termici, nel loro impiego per la propulsione terrestre, navale e aeronautica, nonché negli impianti di generazione stazionaria. La missione dell’Istituto Motori è duplice, in quanto orientata da un lato al continuo approfondimento delle conoscenze delle fenomenologie termo-fluidodinamiche e chimiche che determinano il funzionamento dei sistemi energetici, dall’altro rivolta allo sviluppo e all’innovazione. Quest’ultima costituisce un obiettivo ricorrente, che si concretizza sia mediante l’elaborazione di metodologie d’indagine alternative a quelle convenzionali, sia come contributo alla messa a punto di soluzioni per il trattamento tecnologico alle industrie del settore. Le attività d’innovazione tecnologica sono prevalentemente realizzate mediante la partecipazione a progetti di ricerca d’interesse nazionale e internazionale, con il coinvolgimento di realtà industriali di piccole, medie o grandi dimensioni, e di altri organismi di ricerca, ovvero nell’ambito di consulenze effettuate su temi specifici, finalizzate all’incremento del TRL (technology readiness level) di prodotti. Ad alcune delle innovazioni tecniche maturate dalla collaborazione con industrie è stata conferita la brevettabilità nazionale o internazionale. Ulteriore compito dell’Istituto è la formazione di professionalità di elevato livello pre- e post- laurea, che si svolge mediante il coinvolgimento diretto del personale ricercatore nella supervisione delle attività di tesisti, borsisti e dottorandi provenienti da diverse Università italiane ed estere. La disseminazione dei risultati delle attività svolte avviene attraverso la redazione di rapporti, la pubblicazione di lavori scientifici su riviste specializzate, l’organizzazione di convegni, di giornate di studio e di seminari. (literal)
Istituto esecutore di
Prodotto
Ha afferente
Codice
  • IM (literal)
Nome
  • Institute for Research on Engines (IM) (literal)
  • Istituto motori (IM) (literal)
Collaborazioni
  • COLLABORAZIONI L'I.M. opera su un ampio spettro di tematiche, in collaborazione con la quasi totalita' delle aziende italiane che lavorano nel settore della conversione dell'energia. L'I.M. ha inoltre legami molto saldi con universita' e enti di ricerca europei ed extraeuropei. Le principali collaborazioni del 2006 sono state le seguenti: Enti di ricerca e Universita': VTT Finlandia, Institut fur Luft-und Raumfahrtmedizin, Strahlenbiologie, Koeln, Deutschland, GmbH, German Aerospace Center (DLR) Stoccarda, CIRA, Institute of Aerospace the themodinamics - Univ. Stoccarda, Institute of chemical kinetics and combustion, Russian Academy of Sciences, Novosibirsk, Russia, Universidad Politecnica de Valencia; Universita' di Stoccarda, (INFM) Gas Sensor Laboratory, Universite' Rennes I, Physique des Atomes, Lasers, Molecules et Surfaces (P.A.L.M.S.), Rennes, France , Research Center, University of Wisconsin, Madison, USA, Chalmers University of Technology, Goteberg, Sweden ,Istanbul Technical University, Istanbul, Ovidius University - Constanza, Romania, DIC Universita' Federico II; DIME Universita' Federico II; Universita' di Roma 2 Tor Vergata, Universita' di Salerno (DIIIE), II Universita' di Napoli, Universita' del Sannio, Universita' di Brescia, Dipartimento Ingegneria Chimica ed Alimentare - Universita' di Salerno, Dipartimento di Ingegneria Aerospaziale e Meccanica - Seconda Universita' degli Studi di Napoli, Politecnico di Milano, IRC- CNR, ICAR - CNR, IENI - CNR, ISTM - CNR, Argonne National Laboratory di Argonne (IL). Aziende e organizzazioni industriali di ricerca: CRF, IFP Francia, FEV Aachen, CMT CMD; Quaff Research,. Engelhard, Lombardini, ETRA, Elasis, Ippocratica, STM, Isotta Fraschini Motori, Ferrari H.P.E. srl, Lombardini, Piaggio,Veicoli srl, Elettronica Santerno spa,SOL spa, Loccioni, Proton Motori, Magneti, Ansaldo ricerche, TSI Inc. U.S.A. Enti pubblici e privati: Azienda Napoletana Mobilita' (ANM), Ministero Ambiente, Ministero salute, Consorzio TEST, Centro Regionale di Competenza della Campania \"AMRA\", Regione Toscana, Regione Campania, International Civil Aviation Organisation (ICAO), Ente Nazionale Aviazione Civile (ENAC), Agricultural Research Service of U.S.A. Dept. Of Agriculture, British Engineering and Physics Science Research Council (E.P.S.R.C.). (literal)
Attività di formazione
  • Alta formazione Il comma 4 dell'art.5 del nuovo regolamento del CNR offre all'Istituto Motori la possibilità, a partire dalla disponibilità delle risorse necessarie, di svolgere una funzione anche autonoma per la formazione nel proprio settore di elezione. Si è individuato che il settore di \"competizione\" più proficuo per l'Istituto è quello della ricerca di medio-lungo temine in grado di consolidare know-how avanzato per le successive applicazioni industriali. E' logico che in tale quadro il rapporto con l'Istituzione Universitaria va privilegiato perché naturalmente di più ampio respiro temporale rispetto alle esigenze imposte talvolta dalla produzione ai Centri di Ricerca Industriali. Inoltre il crescente rapporto, in qualità e connessioni, tra l'Istituto e l'Università permette di svolgere in modo corretto ed efficace quella funzione di alta formazione post-universitaria che l'Istituto persegue con tenacia. Sono in corso di definizione numerose convenzioni con le Università, tra queste l'Università di Napoli \"Federico II\" , la 2° Università di Napoli, l'Università di Salerno e l'Università dell'Aquila sia per la collaborazione alle attività di ricerca che per la formazione pre- e post laurea attraverso borse di studio e di dottorato. Realtà attuale L'Istituto opera in un contesto tematico che coinvolge numerose branche di diverse discipline. Nell'ambito delle normative preesistenti sono state perseguite relativamente, alle attività formative, distinte strategie . In primo luogo l'Istituto da sempre ospita, per lo svolgimento delle tesi di laurea, circa 10 studenti all'anno con una permanenza media anche superiore ai 12 mesi. Sono inoltre organizzati un numero elevato di seminari, anche presso aziende del settore automotoristico, nelle tematiche di interesse che si omette di riportare per sinteticità. I ricercatori dell'Istituto più esperti hanno svolto attività di Professori a Contratto presso diverse Università Italiane, reiterati per cicli di tre anni, come docenti di corsi di Motori a combustione interna, di fluidodinamica e combustione dei motori a c.i., di Chimica Applicata, Teoria e Metodi Statistici dell'Affidabilità, Analisi degli inquinanti, Tecnologie industriali. Tale attività ha consentito anche di selezionare i migliori allievi per lo svolgimento della tesi di laurea presso l'Istituto. Alcuni ricercatori sono stati invitati numerose volte, in qualità di \"Visiting Scientist\" presso Università Americane e Giapponesi e, come \"invited Lecturer\", a convegni nazionali ed internazionali. Inoltre svolgono attività di \"referee\" e/o collaborano in qualità di membri dell'editorial board di riviste del settore di competenza. Infine, seguendo le possibilità offerte dalla precedente normativa, l'Istituto ha cofinanziato o finanziato totalmente, nell'ambito di apposite convenzioni con l'Università di Napoli Federico II e l'Università dell'Aquila, 13 borse di Dottorato di Ricerca in diversi cicli su attività di interesse dell'Istituto e con svolgimento dell'attività preso i laboratori dell'I.M. Naturalmente sono state anche attivate numerose Borse di Studio C.N.R. (circa 20 negli ultimi anni) finanziate dal C.N.R., da Aziende del Settore e da altri Enti. Prospettive Il baricentro geografico del sistema produttivo nazionale di autoveicoli e motori a combustione interna, a partire dalla seconda metà degli anni novanta, si è spostato a favore delle regioni meridionali ed in particolare nelle aree afferenti all'obiettivo 1. A titolo di esempio basti ricordare che il Gruppo Fiat prevede nei prossimi anni una percentuale tra il 60 ed il 70 % della sua produzione industriale di autoveicoli localizzata nelle Regioni Meridionali. Questo processo, già avviato negli anni 80 rivela però, nella sua connotazione attuale, una valenza strategica diversa relativa alla concomitante creazione e localizzazione nel mezzogiorno della \"testa industriale\" cioè l'ingegneria del sistema (capacità progettuale) nonché di un network di centri di ricerca. La domanda di formazione specializzata nel settore automotoristico è pertanto crescente, dati tra l'altro gli alti costi sostenuti dalle aziende per supportare un percorso formativo post-laurea mirato alla creazione di professionalità talvolta innovative rispetto ai piani di studio presenti nel sistema Universitario Regionale, pur altamente qualificato da un punto di vista didattico e scientifico. Nè, d'altro canto, nelle Regioni meridionali sono presenti iniziative specifiche di tipo Master nel settore delle tecnologie motoristiche. L'Istituto tende a realizzare nel corso del prossimo biennio la struttura di un corso di specializzazione triennale nel settore dei \"Motori a combustione interna e sistemi energetici avanzati\" tendente ad incentivare la creazione di professionalità multi-disciplinari nello specifico settore in oggetto . Nell'articolazione e finalizzazione del corso saranno coinvolte diverse Università nonché le Aziende ed i Centri di ricerca del settore. Il corso sarà articolato per moduli formativi mensili che comprenderanno, nei tre anni, lezioni, esercitazioni, seminari ed attività sperimentale presso i laboratori dell'Istituto. Particolare attenzione sarà dedicata alla preparazione di tecnici che sappiano applicare le normative vigenti nei vari Paesi per il controllo delle emissioni degli autoveicoli. Sarà dato risalto anche ai probabili futuri sviluppi delle normative internazionali, con riferimento anche al controllo delle emissioni non regolamentate. Ampio spazio sarà dato poi ai combustibili tradizionali ed alternativi, mettendone in luce le caratteristiche e le peculiarità di ciascuno, che ne consentono un piu' conveniente impiego in alcuni settori piuttosto che in altri. Per tutti gli impianti motori e gli accessori che saranno oggetto di studio verranno affrontati argomenti di particolare interesse, quali quelli della misura, del controllo e del contenimento delle emissioni inquinanti e di rumore. Sarà svolto poi parallelamente un corso di formazione sulla elettronica applicata ai motori, nel quale saranno affrontati i principi generali di teoria dei controlli, la descrizione dei principali tipi di sensori ed attuatori, i metodi di diagnostica e di riparazione applicabili ed infine i moderni principi del controllo elettronico del motore \"model based\". (literal)
Http://www.cnr.it/ontology/cnr/localizzazione.owl#via
  • Via Marconi, 4 (literal)
Cap
  • 80125 (literal)
Città
  • Napoli (literal)
Http://www.cnr.it/ontology/cnr/localizzazione.owl#provincia
  • NA (literal)
Telefono
  • 081 7177 111 / 211 (literal)
Codice CDS
  • 058 (literal)
Servizi
  • OFFERTA R&S Diagnostica ottica - Misura e caratterizzazione di: moto d'aria, getti di combustibile e loro interazione; - Diagnostica ottica in camera di combustione in relazione allo sviluppo della combustione, all'insorgere di combustioni anomale, alla formazione degli inquinanti; - Studio delle proprieta' fondamentali di combustione di combustibili convenzionali e bioderivati - Misure allo scarico di inquinanti gassosi e particellari utilizzando diagnostica ottica avanzata - Sviluppo di tecniche di misura innovative per lo studio e la caratterizzazione di: processi di formazione della miscela aria/combustibile, sviluppo della combustione, formazione degli inquinanti, emissioni in atmosfera, valutazione di inquinanti nell’ambiente Studio e ottimizzazione del processo di combustione di propulsori alternativi -Studio e ottimizzazione di sistemi di combustione per motori diesel e ad accensione comandata con l'ausilio di calcolo avanzato e misure ottiche dentro e fuori la camera di combustione; -Studio di processi di combustione innovativi; -Studio di strategie di controllo utilizzando banchi di prova stazionari e transitori; -Ottimizzazione di sistemi di combustione per motori alimentati con: CNG biocombustibili, idrogeno, miscele metano idrogeno, altro; Studio e ottimizzazione del processo di combustione di combustori stazionari -Studio dei fenomeni si instabilita' di combustione -Caratterizzazione del processo di combustione, riduzione delle emissioni. Misura delle emissioni - Misure di inquinanti su veicoli e motocicli in uso reale utilizzando banchi a rullo, veicoli strumentati, banchi per il rilievo di inquinanti gassosi e particellari in regime stazionario e transitorio -Analisi dettagliata di inquinanti non regolamentati emessi allo scarico di veicoli e motori quali: Composti Organici Volatili (VOC), Composti Carbonilici e Idrocarburi Policiclici Aromatici (IPA) -Caratterizzazione delle emissioni per motori alimentati con: CNG biocombustibili, idrogeno, miscele metano idrogeno, altro -Misure di inquinanti in transitorio e di particolato submicronico allo scarico; -Misure di efficienza e ottimizzazione delle prestazioni di sistemi di abbattimento di emissioni gassose e particellari Indagini su veicoli in uso reale -Rilievi di cicli di guida. Modelli di emissione del circolante; -Sviluppo ed applicazione di metodi statistici per l'ottimizzazione di politiche di manutenzione basata sull'affidabilita', di sistemi meccanici, di mezzi e sistemi di trasporto. Propulsori Ibridi -Studio sperimentale di sistemi di fuel cells a elettrolita polimerico integrati in propulsori ibrido-elettrici per applicazione su scooter e minibus; -Caratterizzazione e gestione dei singoli sottosistemi del propulsore. Componentistica avanzata - Studio di componentistica per la guida del sistema di combustione (sistemi VVA, sensori di ionizzazione di fiamma). - Studio di materiali nano-strutturati per sensoristica, fluidi per scambi termici per applicazioni automotoristiche. Noise - Individuazione delle sorgenti di rumore - Modellazione FEM-BEM. Individuazione di metodologie di abbattimento. Indagini ambientali - Monitoraggio ottico remoto multispecie di inquinanti troposferici per il rilievo remoto simultaneo di inquinanti gassosi; Prove di laboratorio - Prove chimico-fisiche di laboratorio su combustibili gassosi, liquidi e solidi. (literal)
Competenze
  • Le tematiche di ricerca di più 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. Un altro tema affrontato con diversi approcci in IM è quello della formazione e della misura delle nanoparticelle. Questo problema, tipico della combustione in fase eterogenea, si sta rivelando molto importante anche per i 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 in 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) •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 da lla 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 for 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 (literal)
Email
  • direttore@im.cnr.it (literal)
  • mailto:direttore@im.cnr.it (literal)
Indirizzo
  • Via Marconi, 4 - 80125 Napoli (NA) (literal)
Missione
  • La missione dell’IM è di sviluppare la ricerca e la formazione specialistica nel campo della conversione dell’energia e del relativo impatto ambientale; di contribuire ad aumentare la competitività dell’industria nazionale, di supportare l’attività degli organi normativi (literal)
Attività di ricerca
  • La connotazione tematica dell'Istituto Motori è nel settore della propulsione e del suo impatto ambientale con particolare riferimento ai motori, ai combustibili ed ai fenomeni chimico-fisici connessi. Le attività svolte in Istituto possono essere schematicamente raggruppate nelle seguenti tematiche: A. Termofluidodinamica dei motori a c.i. B. Tecnologia motoristica. C. Interazione motore-combustibile. D. Interazione veicolo-motore-ambiente. E. Sistemi energetici per la propulsione. F. Affidabilità dei sistemi di propulsione. A Termofluidodinamica dei motori a c.i. Allo stato attuale il principale vincolo nella progettazione dei motori a combustione interna è costituito dal conseguimento di un alto grado di compatibilità ambientale in termini di basso consumo di combustibile, bassa produzione di CO2, basse emissioni gassose (CO, HC ed NOx) e di particolato carbonioso. Il raggiungimento di questi standard passa attraverso l’adozione di sistemi ad iniezione diretta con un sistema d'iniezione a controllo elettronico del tipo \"common rail\" ad alta pressione, nei campi 50-120 bar per i motori ad accensione comandata e 350-1800 bar per quelli ad accensione per compressione ed attraverso l’impiego di combustibili riformulati ed alternativi. Per quanto riguarda le emissioni di Green House Gases: è stato effettuato un confronto tra le emissioni specifiche di CO2 prodotta da differenti sistemi di conversione di energia. In particolare sono stati confrontati i motori diesel, benzina, metano e gpl con quelli alimentati a metanolo e DME e con i sistemi di reforming catalitico per Fuel Cells. Questo confronto porta a ritenere che il motore diesel possa essere un valido candidato per i veicoli eco-compatibili del futuro in quanto la CO2 specifica prodotta da questi motori può essere uguale o minore a quella prodotta dai sistemi di reforming catalitico utilizzati per la produzione di idrogeno da combustibili liquidi o gassosi. Tenendo conto di queste considerazioni, l'approfondimento delle conoscenze sui meccanismi che sono alla base dei processi fluidodinamici, di formazione della miscela, di combustione e di formazione delle specie inquinanti è di fondamentale importanza sia ai fini dell'efficienza energetica sia ai fini della riduzione delle emissioni allo scarico. A1. Fluidodinamica dei motori a iniezione diretta Obiettivo di questa tematica è lo studio dei processi di generazione, amplificazione e dissipazione della turbolenza dei motori a c.i. Vengono utilizzate sia la velocimetria laser doppler (LDV) sia la velocimetria per immagini (PIV) per misurare il moto medio e l'intensità di turbolenza generati dai condotti di aspirazione di teste di motori operanti dinamicamente su un banco a flusso stazionario. Utilizzando motori otticamente accessibili sia da laboratorio che commerciali, vengono analizzati gli effetti derivanti dall’uso di differenti geometrie di camere di combustione per motori a iniezione diretta. L’insieme dei dati disponibili è anche adoperato per lo sviluppo e la calibrazione di modelli di turbolenza per i codici 3D di simulazione numerica dei processi. A2. Termofluidodinamica dei motori a ga snaturale I motori stechiometrici con marmitta catalitica trivalente, con alimentazione a miscelatore o, ancor meglio, ad iniezione di gas naturale, assicurano, già attualmente, un considerevole abbat-timento delle emissioni allo scarico, tanto da far ritenere i veicoli sui quali sono installati soluzioni valide per la movimentazione di persone e merci nei centri urbani, maggiormente colpiti dal-l'inquinamento. Purtroppo detti motori non permettono di raggiungere le condizioni di massima efficienza e quindi di operare con basse emissioni di CO2. Una migliore definizione della fluidodinamica degli attuali sistemi di combustione stechiometrica per i motori heavy-duty ha apportato consistenti miglioramenti sia per la riduzione della CO2 sia degli altri inquinanti. Ulteriori miglioramenti sono attesi dalle attività in corso con le aziende di settore: questi studi dovrebbero portare a definire le caratteristiche per la realizzazione di motori stechiometrici con elevato tasso di EGR esterno raffreddato. Detti motori saranno in grado di rispettare i limiti EURO VI, con potenze specifiche più elevate degli attuali motori, con consumi minori e minori emissioni di CO2. A3. Iniezione elettronica ad alta pressione e formazione della miscela La centralità del processo di iniezione del combustibile è inconfutabile ai fini della formazione della miscela pronta per la combustione, sia per i motori ad accensione comandata che a ciclo diesel. La generazione dei getti, oramai tutti a gestione elettronica, con iniezione diretta e ad alta pressione, l’atomizzazione del combustibile e la sua interazione con il gas in camera di combustione è studiata sia in sistemi quiescenti a temperatura e pressione controllata che in motori. Si studiano i comportamenti dei differenti dispositivi per diverse strategie di iniezione (multinjection); gli effetti su portate istantanee e shaping di iniezione; le caratteristiche morfologiche del getto (stato di polverizzazione, pene-trazione, angolo del cono); l'evoluzione temporale e spa-ziale della fase liquida/gas-sosa per diverse condizioni operative e densità del gas nell'ambiente. Per il processo di formazione della miscela aria-combustibile vengono utilizzate tecniche di misura basate sull'interazione luce-materia nel campo UV-visibile, seguendo nel tempo e nello spazio le fasi liquido e vapore precedenti all'innesco della combustione. Tali tecniche sono applicate sia ad ambienti quiescenti ad alta pressione, otticamente accessibili, che a motori modificati per l’utilizzo di ampi accessi ottici per le misure. Sono, infine, condotte analisi sperimentali per la caratterizzazione dell'impatto combustibile/parete a diversi angoli di impatto e differenti contropressioni in camera e temperature di parete, per caratterizzare qualitativamente e quantitativamente i fenomeni di droplet rebounding, splashing, e formazione di film liquido. L'analisi è condotta mediante tecniche ottiche di \"imaging\", che permettono la caratterizzazione dei getti nelle varie condizioni operative E’ possibile, inoltre, misurare le dimensioni e le velocità delle gocce in relazione ai parametri funzionali del sistema di iniezione, con l’obiettivo di ottimizzare le strategie di controllo del motore ai fini del conseguimento dei prescritti limiti di emissioni. A4. Combustione di combustibili liquidi e gassosi Le tematiche di ricerca di più lunga tradizione riguardano lo studio della combustione e della generazione degli inquinanti, con l’obiettivo di ottimizzare il processo di combustione ai fini dell’efficienza energetica e della emissione di 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: infatti la necessità di studiare, in \"real time\" e in modo non intrusivo, i processi termo-chimici, dei combustibili sia commerciali che innovativi richiede lo sviluppo di specifiche diagnostiche ottiche. Una parte delle attività di ricerca è volta ad approfondire lo studio del processo di evaporazione del combustibile, con tecniche di visualiz-zazione, di diffusione elastica della luce e di fluorescenza. Una tecnica originale è basata su immagini fuori fuoco nel campo lontano della luce diffusa elasticamente dalle gocce stesse. Tale tecnica può essere utiliz-zata per la caratterizzazione di insiemi di gocce in condizioni instazionarie con combustibili multicomponente. Infatti, sulla base di calcoli effettuati con un codice ori-ginale per il calcolo della luce diffusa da gocce con temperatura e composizione interna non costanti, si è evidenziata la possibilità di determinare la dimensione delle stesse in regime non stazionario. La tecnica può essere applicata sia in condizioni controllate che in motori. Con tali metodi è possibile caratterizzare il comportamento termo-chimico di goccioline di combustibili anche di derivazione vegetale (biofuels), nonché di emulsioni, ad alta pressione e temperatura, anche al fine di supportare lo sviluppo delle tecniche di produzione degli stessi che è in fase di forte evoluzione. Altre attività di ricerca si pongono l’obiettivo di identificare i prodotti delle prime reazioni chimiche sia a bassa temperatura come i radicali sia ad alta temperatura come il particolato e altre specie gassose. A tale scopo si utilizzano misure di emissività, di assorbimento e di \"scattering\" nel campo UV-visibile. Alcune delle grandezze misurate potrebbero essere suscettibili di utilizzo per il controllo closed-loop della combustione nei motori. A5. Formazione del particolato L'Environmental Protection Agency (EPA) e l'Unione Europea (UE) hanno evidenziato la necessità di regolamentare le dimensioni delle particelle emesse allo scarico dei motori a c.i. perché nel campo medico è stata accertata la pericolosità delle particelle di dimensioni piccolissime (<10nm) sull'apparato respiratorio e in particolare, la futura normativa Euro VI (2015) prevederà la misura del numero di particelle allo scarico dei motori diesel. Recentemente misure effettuate in Istituto Motori, con sistemi ottici e SMPS (Scanning Mobility Particle Sizer) ed ELPI (Electrical Low Pressure Impactor), hanno fornito distribuzioni bidimensionali della fuliggine allo scarico di motori ad accensione comandata e per compressione operanti con strategie di combustione innovative con valori massimi intorno a 3-5 nm e 40 nm. Poiché i modelli concettuali sulla formazione del particolato sono basati sui fenomeni chimico-fisici che avvengono in camera di combustione ed al fine di approfondire questo argomento, si stanno effettuando misure spettroscopiche per la rivelazione dei precursori e delle dimensioni del particolato con l'obiettivo di identificare il legame funzionale tra il processo di formazione in camera e i prodotti allo scarico. Un altro insieme di attività riguarda l’approfondimento delle conoscenze sul meccanismo di ossidazione della fuliggine. L'insufficienza dei dati sperimentali disponibili, soprattutto ad alta pressione, per la verifica dei modelli teorici di formazione/ossidazione della fuliggine può essere colmata da una campagna condotta mediante il sistema del tubo d'urto. La sperimentazione in tubo d'urto consente inoltre di studiare, in dettaglio e in condizioni controllate, la formazione di particolato carbonioso ad alta temperatura e pressione. Il grande progresso tecnologico dei moderni motori diesel ha comportato una sensibile riduzione delle emissioni di particolato: le innovative strategie di iniezione, rese possibile dall’avvento dei sistemi common-rail, e l’adozione di modalità alternative di combustione (PCCI, HCCI, etc.) hanno ridotto la formazione di particolato in camera di combustione, ulteriormente limitata dall’adozione dei dispositivi di post-trattamento (DPF). Pertanto, anche considerando il basso valore degli attuali e futuri limiti di emissione, la misura della concentrazione in massa del particolato con le tecniche finora adoperate risulta problematica. Di conseguenza in Istituto è stato sviluppato ed implementato un sistema diagnostico ottico, basato sulla tecnica di CRDS (Cavity Ring Down Spectroscopy), per la misura del coefficiente di estinzione del particolato emesso allo scarico. La tecnica mostra un’elevata sensibilità (Kext fino 10-5 m-1), consentendo di misurare bassissime concentrazioni di particolato (fino a 1 mg/m3), ed un’elevata risoluzione temporale. A6. Simulazione numerica 3D dei processi I motori di nuova generazione, equipaggiati con sistema di controllo elettronico dell'iniezione, regolazione delle valvole, sistema EGR, ossidazione catalitica, sono caratterizzati da un gran numero di variabili da controllare e da ottimizzare: basti pensare alla complessita' dei sistemi d'iniezione common rail, in cui gioca il livello di pressione, il numero e la durata delle iniezioni, gli angoli di dwels e la ripartizione delle masse iniettate. In queste condizioni la modellistica termofluidodinamica multidimensionale del processo di combustione si sta rivelando uno strumento estremamente utile non solo ad interpretare il gran numero di dati ed il gran numero di dipendenze funzionali, ma anche ad indirizzare l'attivita' sperimentale, diventata estremamente piu' complessa e piu' costosa, verso indagini presumibilmente più vantaggiose. In aggiunta, vista l'elastisticita' dei sistemi di controllo ormai installati sul motore, la modellistica puo' fornire strategie di scelta dei parametri, che, implementati nelle centraline, ne riducano le emissioni nelle varie condizioni di funzionamento. In questo settore obiettivo delle attività di ricerca è lo sviluppo di una più appropriata modellizzazione dei processi che aumenti le capacità di predizione degli attuali codici multidimensionali, potendo disporre per la validazione dei codici dell’importante massa di dati sperimentali in possesso dell'IM. In particolare è necessario ottimizzare i modelli di turbolenza, di rottura dei getti, di formazione della miscela, di autoaccensione e di combustione, nonché di formazione delle specie inquinanti. 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, OpenFOAM. Tuttavia l’utilizzo di una modellistica siffatta, considerato l’alto numero di celle di calcolo, e l’elevatissima complessità dei sistemi algebrici da risolvere per ogni cella di calcolo, necessita anche di strumenti di calcolo adeguati, sia in termini hardware (sistemi paralleli a basso costo ed elevata flessibilità di utilizzo) che software (solvers ottimizzati per gli specifici obiettivi del calcolo). B Tecnologia motoristica La tecnologia motoristica sta evolvendo rapidamente per soddisfare le sempre più severe limitazioni sui consumi energetici e sulle emissioni allo scarico. Si stanno proponendo motori a iniezione diretta sia ad accensione comandata che diesel con ampio uso del controllo elettronico per l'alimentazione, per i sistemi di trattamento dello scarico e, recentemente, per l'attuazione delle valvole. Dato l’alto contenuto tecnologico di questo tipo di studio, le attività di ricerca sono condotte in collaborazione con le principali aziende del settore. B1. Motore diesel i.d. \"near zero emissions\" Gli attuali motori diesel, equipaggiati con sistemi di combustione opportunamente disegnati ed apparati d’iniezione avanzati di tipo common rail, continuerà ad essere protagonista dei sistemi di propulsione per i prossimi quindici anni avendo come punto di forza una bassa produzione di CO2 per unità di potenza erogata. L’integrazione di tale motore con combustibili derivati da biomasse (biodiesel di seconda generazione), che a loro volta presentano un favorevole bilancio della CO2 rispetto a quelli fossili, promette il contemporaneo abbattimento delle emissioni regolamentate e di quelle collegate all’effetto serra. Per rispettare i limiti di legge sulle emissioni si ritengono indispensabili i sistemi di post trattamenti dei gas di scarico (catalizzatore ossidante, trappola di particolato): ma l'obiettivo di avere basse emissioni di particolato deve essere comunque perseguito per minimizzare la frequenza della rigenerazione. Per ottenere l’abbattimento contemporaneo del particolato e degli ossidi di azoto risultano di interesse le seguenti soluzioni tecnologiche: - gestione delle portate d’aria (sovralimentazione) per ottenere migliori prestazioni ed economie di combustibile; - miglioramento della formazione della miscela mediante la gestione del sistema di iniezione; - utilizzo di combustioni a bassa temperatura (PCI o HCCI); - sistemi di ricircolo dei gas di scarico (EGR) a bassa pressione (LP EGR) e ad alta pressione (HP EGR) e raffreddati consentono un miglior controllo della combustione. B2. Motore ad accensione comandata Il raggiungimento degli obbiettivi tra loro antitetici della riduzione di consumi ed emissioni e del miglioramento delle prestazioni di coppia e potenza è attualmente perseguito attraverso il cosiddetto downsizing, con il quale si tende ad una riduzione della cilindrata del motore (con miglioramenti del rendimento meccanico) aumentando allo stesso tempo il rapporto di compressione e ricorrendo alla sovralimentazione (con miglioramenti del rendimento termodinamico e delle prestazioni di coppia e potenza). I benefici potenzialmente ottenibili attraverso questa via sono però seriamente limitati dal fenomeno del knock, caratterizzato da distruttive oscillazioni di pressione (di elevata frequenza ed intensità) all’interno del cilindro del motore, la genesi delle quali è legata al rapidissimo rilascio di energia conseguente all’auto-accensione di porzioni della miscela aria benzina non ancora raggiunte dal fronte di fiamma propagantesi in camera di combustione. Tra gli accorgimenti adottabili per prevenire l’insorgere di questo fenomeno si possono considerare l’iniezione diretta di benzina (GDI), l’uso controllato di EGR raffreddato e l’adozione di sistemi di attuazione variabile delle valvole, da unirsi all’impiego di sensori avanzati per la diagnostica del processo di combustione. In riferimento agli obbiettivi del downsizing, alle problematiche che ne scaturiscono ed alle soluzioni percorribili, sono condotte diverse attività sulle seguenti tematiche: - studio del processo di formazione della miscela aria/benzina (con riguardo alla scelta della posizione e del tipo dei getti, ed in relazione al moto d'aria corrispondente alle geometrie dei condotti e della camera di combustione) mediante l'uso di codici CFD tri-dimensionali sia proprietari che open source; - studio delle strategie di controllo dell'iniezione (singola o multipla), dell'accensione e dell’EGR; - studio e realizzazione di prototipi di sistemi di misura della corrente di ionizzazione tra gli elettrodi della candela, ai fini della diagnostica della combustione e del knock, e del controllo dell’accensione; - studio e realizzazione di prototipi VVA (Variable Valve Actuation) sia di tipo elettro-idraulico che di tipo elettro-magnetico, al fine dell’ottimizzazione del moto d’aria e del riempimento. Tali attività sono per loro natura connesse a quelle inerenti al controllo elettronico del motore B3 Controllo elettronico Il controllo elettronico è diventato ormai un elemento fondamentale ed indispensabile per la gestione di diversi sistemi presenti a bordo dei veicoli, da quelli che governano il processo di combustione, a quelli che regolano i flussi di energia nella propulsione ibrida, a quelli che assistono e migliorano il comportamento dinamico del veicolo stesso. Le attività seguite in questo settore presso l’IM riguardano l’impiego di componentistica avanzata. Si possono citare in proposito: - il controllo di sistemi di Variable Valve Actuation; - la messa a punto di controlli “model-based” per l’attuazione “drive-by-wire” del corpo farfallato in motori ad accensione comandata; - la messa a punto di controlli “model-based” a ciclo chiuso della pressione nel common-rail di sistemi di iniezione GDI, da usare in modelli di simulazione di elettroiniettori impiegabili in applicazioni di controllo AFR. C. Interazione motore-combustibile C1. Combustibili riformulati Negli ultimi anni sono stati condotti numerosi studi per valutare gli effetti delle proprietà del combustibile sulle prestazioni e sulle emissioni dei motori diesel. I principali fattori presi in considerazione sono stati: densità, volatilità, numero di cetano, contenuto di ossigeno, contenuto di zolfo, contenuto di aromatici, per valutare il loro effetto sulle emissioni di composti organici, di particolato e monossido di carbonio, di anidride solforosa, e sulla detonazione. Queste attività sono state condotte nell’ambito di progetti nazionali ed europei (progetto NEDENEF), conducendo una sperimentazione volta a valutare l'influenza del processo di raffinazione e di alcuni additivi quali i composti ossigenati e i \"cetane improvers\" sulle emissioni: sono state evidenziate chiare correlazioni tra emissioni e composizione del combustibile, ma da tale studio è anche emersa indicazione che l’ottimizzazione del motore e del combustibile debbano essere perseguite di pari passo. C2. Combustibili alternativi Per combustibili alternativi nella trazione stradale si intendono combustibili, di qualunque composizione, diversi dalla benzina e dal gasolio. Essi si possono suddividere in due grandi categorie: liquidi e gassosi. Alla prima appartengono gli alcoli e gli oli di origine vegetale, alla seconda il gas da petrolio liquefatto (GPL), il gas naturale compresso (GNC), composto principalmente da metano, e l'idrogeno (H2). Tra gli alcoli si annoverano l'alcol metilico (metanolo) e l'alcool etilico (etanolo), oggi ritenuto particolarmente interessante perché può contribuire a ridurre sia le emissioni regolamentate e non sia i consumi. Essi possono contribuire a ridurre la formazione di ozono e di CO2 se provenienti da scarti agricoli, industriali, urbani. Per contro però danno luogo a quantità più elevate di composti carbonilici. L’etanolo è usato in miscela (dal 5% all’85 %) con la benzina, in motori opportunamente predisposti. I combustibili derivati da oli di origine vegetale (Biodiesel), opportunamente trattati con processi di esterificazione, possono essere impiegati come combustibili tal quali o miscelati al gasolio. I prodotti di origine sono, in Europa, l’olio do semi di colza o di girasole; tipicamente si usano miscele di biodiesel con percentuali dal 2 al 30% in gasolio. Prove al banco condotte sui motori Diesel hanno evidenziato che le emissioni di particolato possono essere ridotte, e che per le percentuali sopra indicate, non sono emersi particolari problemi nell’uso dei biodiesel. Tra i combustibili gassosi, GPL e GNC offrono buone potenzialità per ridurre drasticamente le emissioni gassose e quelle di particolato nei centri urbani; risultati ancora più rilevanti sono garantiti dall'idrogeno. Tuttavia, le difficoltà di rifornimento e stoccaggio a bordo del veicolo ne limitano la diffusione su larga scala. Il GNC e soprattutto l'idrogeno possono fornire i migliori risultati in termini di abbattimento della tossicità dello scarico di un motore. Pertanto, possono essere utilizzati con profitto in parchi veicolari \"chiusi\" (trasporto pubblico urbano, distribuzione merci, raccolta rifiuti), per i quali i sopra citati problemi di rifornimento e stoccaggio sono notevolmente ridimensionati. Di recente sono state prese in considerazione anche miscele di gas naturale ed idrogeno (H2 dal 2% al 35% in volume). Tali miscele dovrebbero consentire nell’immediato la riduzione delle emissioni di CO2 dal motore senza pregiudicare l’autonomia degli attuali motori alimentati a gas naturale. Su tempi più lunghi sono previsti ulteriori benefici sui consumi e sulla riduzione degli altri inquinanti utilizzando motori a carica omogenea, sia stechiometrici che lean-burn, ad accensione sia comandata che per compressione (HCCI). L’attuale lavoro di ricerca è volto sia allo studio di base della combustione di dette miscele, che all’analisi degli effetti su prestazioni ed emissioni con motori convenzionali e non. Collaborazioni con gruppi nazionali ed internazionali sono in corso per la definizione delle specifiche e degli standard di riferimento per l’impiego di queste miscele nel campo dell’autotrazione. D. Interazione veicolo-motore-ambiente Il contributo dei mezzi di trasporto all'inquinamento ambientale dei centri urbani, nonostante i progressi tecnologici, rimane ancora molto elevato. Si rendono pertanto necessarie sempre più approfondite metodologie per valutare le emissioni da traffico a partire da prove al banco e/o su strada. I modelli per l’elaborazione di inventari e di scenari delle emissioni in atmosfera più utilizzati si basano sull’emission factor approach, secondo il quale le emissioni di un determinato inquinante relative a un certo settore sono il prodotto delle singole attività che generano emissioni e dei rispettivi fattori di emissione. Un fattore di emissione dà una rappresentazione quantitativa delle caratteristiche emissive di un dato inquinante, in un certo periodo di tempo per una data sorgente. La valutazione dei fattori di emissione veicolari viene generalmente eseguita con prove sperimentali su veicoli operanti su banchi a rulli dina-mometrici oppure su veicoli strumentati circolanti, secondo cicli di guida reali oppure cicli di omologazione (come previsti dalle normative europee, giapponesi, americane etc.). L’Istituto Motori puo’ progettare campagne sperimentali per valutare i fattori di emissione di diverse tipologie di veicoli (autovetture, autobus, mezzi commerciali leggeri e pesanti, ciclomotori e motocicli) studiando l’effetto sulle emissioni ed i consumi della tecnologia (i.e. dispositivi di post trattamento dei gas di scarico), dei combustibili utilizzati (convenzionali, alternativi, rinnovabili) e del comportamento di guida. L'attività di ricerca dell'IM, condotta anche in collaborazione con altri laboratori europei, ha come obiettivi lo sviluppo e la validazione sperimentale di una modellistica che valuti le emissioni in funzione delle caratteristiche tecnologiche e dei parametri funzionali del sistema veicolo-combustibile-motore-retrofit. In particolare sono in corso le seguenti attività: - sviluppo di procedure per la valutazione del comportamento su strada dei veicoli; - studio dei metodi di campionamento e di misura per il miglioramento della precisione della misura delle emissioni inquinanti regolamentate e non al banco a rulli; - sviluppo e sperimentazione di piani sperimentali e di modelli statistici per la costruzione dei fattori di emissione. Particolare esperienza è stata maturate nel campo della progettazione di metodologie di campionamento ed analisi di microinquinanti, che pur non essendo attualmente regolamentati, sono particolarmente rilevanti da un punto di vista ambientale e come effetto sulla salute umana (particelle ultafini, tossici, Idrocarburi Policiclici Aromatici, benzene, etc.) E. Sistemi energetici E1. Sistemi di propulsione ibridi termico-elettrici I veicoli ibridi dotati di un sistema di propulsione \"termico-elettrico\" rappresentano una evoluzione dei veicoli tradizionali in cui è presente un solo propulsore puramente termico. Il vantaggio principale della doppia propulsione consiste nello sfruttare le caratteristiche di elevata efficienza del propulsore elettrico nelle fasi transitorie, e nella possibilità di far operare il motore termico in condizioni il più possibile vicine a quelle di massima efficienza. Tale tipo di propulsione consente quindi di realizzare veicoli caratterizzati da elevati rendimenti energetici e contenute emissioni inquinanti. L'IM lavora in collaborazione con centri di ricerca industriali già impegnati nel settore, per lo studio sperimentale della gestione dei flussi energetici all’interno del propulsore ibrido, fornendo indicazioni per lo studio dei modelli di simulazione dei flussi di energia e della generazione di inquinanti. Tale studio si propone l’obiettivo generale di definire e valutare sperimentalmente le strategie di controllo più idonee per la gestione ottimale del sistema di propulsione. E2. Sistemi di propulsione con celle a combustibile Le celle a combustibile favoriscono l’utilizzo dell’idrogeno nel settore dei trasporti grazie alla loro elevata efficienza in un ampio intervallo di condizioni di carico. Inoltre le emissioni di tali dispositivi alimentati con idrogeno sono nulle, essendo l’acqua l’unico prodotto della reazione di ossidazione elettrochimica di tale combustibile. L’Istituto Motori è impegnato da anni nel settore dei sistemi di propulsione con celle a combustibile alimentate con idrogeno ed espleta le sue attività nell’ambito delle seguenti tematiche: - progettazione, realizzazione e caratterizzazione sperimentale di sistemi di celle a combustibile alimentate a idrogeno; - gestione dei flussi energetici all’interno del power train per il controllo e l’integrazione dei diversi sottosistemi; - analisi sperimentale su cicli di guida stradali dei rendimenti energetici in funzione del livello di ibridizzazione tra sistemi di generazione e di accumulo dell’energia elettrica a bordo; - studio sperimentale di diversi sistemi per l’accumulo dell’energia elettrica (batterie e supercondensatori) a bordo di veicoli ibridi; - studio di metodi di produzione di idrogeno e del suo accumulo a bordo. Nei laboratori sono disponibili banchi prova per stacks di celle a combustibile fino a 30 kW , azionamenti elettrici fino a 80 kW, diverse tipologie di batterie e supercondensatori, banchi dinamici per la simulazione di cicli di guida stradali su veicoli di potenza fino a 120 kW, impianto per la produzione di idrogeno a partire da combustibili gassosi e liquidi. E3. Sistemi stazionari di produzione di energia L’Istituto Motori è anche attivo nello studio delle applicazioni delle celle a combustibile nel settore della produzione stazionaria di energia elettrica/termica. Di recente, in tale settore, le attività sono state estese a sistemi basati su microturbina. L'obiettivo di tale ricerca è, nel complesso, lo studio dell'utilizzo di biocombustibili liquidi e gassosi per la generazione ecocompatibile e distribuita di energia elettrica. A tale scopo sono impiegati impianti sperimentali di laboratorio, per l'analisi sistematica delle proprietà di combustione di biocombustibili in condizioni tipiche di microturbine. Una microturbina da 100 kWe (330 kWth), opportunamente modificata, consente lo studio e la messa a punto delle strategie di combustione e di controllo per l'ottimizzazione dell'intero ciclo energetico. Di particolare interesse è lo studio della stabilità di combustione, del rendimento energetico e delle emissioni, al variare delle proprietà del combustibile e delle condizioni di carico. F. Affidabilità dei sistemi di propulsione L'affidabilità, cioè l'attitudine di un prodotto a funzionare correttamente per un tempo prefissato sotto assegnate condizioni operative, è una delle \"prestazioni\" dei mezzi di trasporto (e di suoi sottosistemi significativi come il motore), la cui importanza è enormemente cresciuta negli ultimi anni. D'altro canto, aumenta sempre più la complessità del \"sistema di propulsione\" (con una crescente presenza dell'elettronica), sia per soddisfare le crescenti esigenze di riduzione delle emissioni inquinanti e di aumento dell’efficienza energetica del processo di combustione, sia per migliorare la sicurezza attiva e passiva ed il comfort d'uso dei veicoli. L'aumento della complessità di un sistema pone inevitabilmente problemi di affidabilità: infatti, all’aumentare della complessità del sistema, il conseguimento di un prefissato obiettivo impone un aumento significativo del livello di affidabilità delle singole parti, da garantire sin dall’inizio del processo produttivo. L'Istituto Motori promuove nel settore attività integrate in risposta alla crescente domanda di ricerca scientifica e di sviluppo tecnologico che proviene dalla società civile e dall'industria nazionale: tra queste attività lo sviluppo di specifici modelli stocastici di nuova generazione, che meglio rispondono alle esigenze di modellizzazione del processo di guasto di sistemi riparabili complessi e/o di sistemi soggetti a fenomeni di degrado. (literal)
data.CNR.it