Descrizione della commessa "Motori e sistemi innovativi per la propulsione e la generazione di energia (ET.P02.003)"

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  • Descrizione della commessa "Motori e sistemi innovativi per la propulsione e la generazione di energia (ET.P02.003)" (literal)
Potenziale impiego per bisogni individuali e collettivi
  • - Aumento della competitività dell' Industria Nazionale tramite trasferimento di competenze scientifiche su tipologie di prodotto ad alta tecnologia, competitive sul mercato internazionale. - Risposta alle richieste del mercato e della comunità di una riduzione dei consumi e delle emissioni inquinanti senza nessuna penalizzazione per le prestazioni al fine di mantenere alta la produttività nel settore motoristico. - Miglioramento del prodotto \"motore termico\", mediante simulazioni CFD tarate su geometrie reali di motori fortemente innovativi, in un settore cruciale per conservare l' attuale vantaggio competitivo italiano. -Realizzazione di una rete di interscambio di competenze scientifiche e tecnologie innovative con aziende, istituzioni, centri di ricerca e realtà accademiche. - Riduzione dei consumi energetici e abbattimento dell'inquinamento atmosferico dovuto alla diffusione di veicoli elettrici/ibridi. -Formazione di risorse umane altamente specializzate. (literal)
Strumentazione
  • I laboratori dell'IM che sono utilizzati per l'implementazione dei vari moduli comprendono cinque sale prova attrezzate per ricerche sperimentali su motori a combustione interna, con diverso livello di specializzazione, che consentono sia analisi di dettaglio di fenomenologie di combustione su prototipi accessibili otticamente, sia prove su motori prototipi (ad esempio monocilindrici da ricerca dotati di sottosistemi completamente indipendenti), sia prove su motori reali (ad esempio impiegati per la propulsione terrestre e la cogenerazione) ed installati in moderni banchi dinamici. Le misure di visualizzazione sono realizzate mediante CCD, ICCD E CMOS ad alta risoluzione spaziale che permettono l'acquisizione nell'intervallo spettrale 180-700nm. Il particolato viene caratterizzato sia con strumenti di misura commerciali sia per mezzo di tecniche diagnostiche ottiche, sviluppate nell'ambito delle attività della commessa. La modellistica si avvale di codici di calcolo CFD e software di rappresentazione grafica tridimensionale dei campi all'interno delle camere di combustione. E' anche disponibile un laboratorio per lo studio dei sistemi di accumulo delle batterie. (literal)
Tematiche di ricerca
  • Le ricerche spaziano dall'approfondimento della fluidodinamica e combustione nei motori termici, allo sviluppo delle tecnologie per il miglioramento dell'efficienza e dell'impatto ambientale dei motori, fino allo studio di propulsori elettrici ed ibridi, anche in applicazioni per la generazione di energia e la cogenerazione. Le attività sperimentali mirate alla conoscenza della fluidodinamica e combustione dei motori contemplano l'impiego di esperimenti per lo studio dei meccanismi fisico-chimici alla base del processo di combustione quali tubo d'urto e motori da ricerca. A ciò si affianca costantemente l'implementazione e lo sviluppo di metodologie di calcolo CFD per la modellazione della combustione. La ricerca tecnologica include lo studio dell'interazione motore-qualità del combustibile, anche con combustibili rinnovabili, lo sviluppo di sensoristica innovativa per il miglioramento del controllo motore, la caratterizzazione ed il miglioramento del controllo dei sistemi di post trattamento dei gas di scarico. Sistemi innovativi di accumulo di energia e le relative logiche di controllo sono sviluppate al fine di migliorare l'impiego dei motori elettrici per la propulsione. (literal)
Competenze
  • La commessa possiede le competenze tecnico-scientifiche necessarie per il conseguimento degli obiettivi di ricerca: - motori diesel avanzati; analisi e calcolo dei processi termo-fluidodinamici associati; - meccatronica degli apparati di iniezione avanzati a controllo elettronico; - impiego di combustibili innovativi e bio-derivati; - sperimentazione di motori al banco prova con tecniche diagnostiche sofisticate; - interazione tra motore e combustibili non convenzionali. - sviluppo degli attuali codici multidimensionali dei processi che caratterizzano la combustione nei motori. -applicazione di diagnostiche per lo studio dei processi termo-fluidodinamici nei motori a combustione interna e nella messa a punto ed utilizzo di motori otticamente accessibili sia ad accensione comandata che per compressione. -Caratterizzazione sperimentale dei sistemi di produzione dell'energia elettrica nella catena di propulsione elettrici/ibridi e negli impianti di tipo cogenerativo. I partecipanti alla commessa hanno preso parte a diversi progetti di ricerca internazionali riguardanti lo sviluppo di sistemi di combustione innovativi e uso di combustibili non convenzionali di nuova generazione. (literal)
Potenziale impiego per processi produttivi
  • L'impiego potenziale per processi produttivi riguarda le seguenti tipologie di prodotto: - Motori innovativi ad alta efficienza e basso impatto ambientale. La determinazione dei parametri controllanti la combustione e la definizione di relative metodologie di controllo permettono il miglioramento dell'efficienza di combustione con conseguente risparmio di combustibile rispettando le future normative sulle emissioni inquinanti. - Miglioramento dell'interazione tra i motori a c.i. e le caratteristiche dei combustibili di nuova generazione, che consente di massimizzare l'efficienza di combustione. -Acquisizione di metodiche di calcolo avanzate che individuano soluzioni da trasferire su tipologie di prodotto ad alta tecnologia, competitive sui mercati esteri. .- Ottimizzazione del processo di combustione a basso regime di rotazione in motori ad a.c. per veicoli a due ruote. – - Ottimizzazione dei sistemi di post-trattamento dello scarico dei motori a c.i. e loro rigenerazione. -Studio sperimentale di sistemi di propulsione elettrici/ibridi con vari gradi di ibridizzazioni nel settore del trasporto. (literal)
Tecnologie
  • Le diverse tecnologie disponibili sono integrate in maniera sinergica per il conseguimento degli obiettivi. In particolare si vogliono evidenziare le seguenti metodologie : -Analisi delle caratteristiche della componentistica \"high-tech\" (sistemi di innovativi di aspirazione-scarico quali VVA, di ricircolo di gas di scarico, di soluzioni architettoniche avanzate ecc.) utili alla applicazione dei concetti innovativi di combustione in motori ad accensione per compressione. -Simulazione integrata 1D - 3D di sistemi di combustione innovativa mediante l'uso di calcolo parallello e meccanismi cinetici dettagliati. -Sviluppo di tecniche ottiche per la visualizzazione della fase di iniezione del combustibile liquido o gassoso, dello sviluppo del processo di combustione dell'evoluzione delle principali specie inquinanti (NOx, HC, CO, particelle). -Accoppiamento della sperimentazione su prototipi monocilindrici e pluricilindrici per la definizione dei parametri operativi del motore da sviluppare. -Integrazione dei componenti ausiliari negli impianti di propulsione e di cogenerazione e ottimizzazione delle condizioni di funzionamento dei sottosistemi. (literal)
Obiettivi
  • - Sviluppo di sistemi di combustione per motori endotermici ad alta efficienza e basso impatto ambientale. - Sviluppo di metodologie di controllo dei motori basate sul rilievo del ciclo di pressione cilindro. - Caratterizzazione completa dell'impatto ambientale dell'uso di combustibili bio-derivati e/o non-convenzionali, in motori di tecnologia avanzata; - Individuazione di soluzioni motoristiche a basso impatto ambientale attraverso lo sviluppo della componentistica; - Ottimizzazione di motori GDI sia di piccola taglia per veicoli a due ruote sia ad alte prestazioni per veicoli a quattro ruote alimentati con etanolo, puro o in miscela con combustibile commerciale; - Miglioramento del livello di predittività della simulazione numerica multidimensionale quale supporto ed interpretazione della sperimentazione; - sviluppo di motori diesel operanti in modalità \"dual-fuel\" ed alimentati con gas naturale, etanolo e/o GPL. - Caratterizzazione di azionamenti elettrici dei dispositivi di conversione statica dell'energia elettrica per sistemi di propulsione ibrida e di sistemi di accumulo; (literal)
Stato dell'arte
  • Il motore termico rimarrà il propulsore principale per la trazione terrestre fino al 2050. Su tale stima è necessario proseguire il lavoro di sviluppo e perfezionamento del sistema al fine di renderlo ecologicamente ed energeticamente compatibile. Lo sviluppo tecnologico dei motori e dei combustibili (rinnovabili inclusi), gioca un ruolo chiave per gli obiettivi sopra citati. Resta fondamentale sia l'approfondimento delle complesse fenomenologie che regolano il funzionamento dei motori, in tal senso esperimenti di base (tubo d'urto) e motori da ricerca rappresentano uno strumento indispensabile per la conoscenza dettagliata dei fenomeni termo-fluidodinamici, sia il miglioramento di predittività del calcolo CFD di tali fenomeni. La riduzione dell'impatto ambientale del sistema trasporti richiede necessariamente una massiccia penetrazione dei sistemi ibridi. Punto cruciale è l'aumento dell'autonomia dei veicoli elettrici ed ibridi. La realizzazione di sistemi di accumulo di energia ad alta desità di carica a bordo di veicoli richiede componenti elettrici ed elettromeccanici dedicati ed una strategia di gestione e controllo dei singoli sottosistemi e dell'intero sistema energetico. (literal)
Tecniche di indagine
  • La metodologia di ricerca si basa su di un approccio integrato ai sistemi di combustione complessi quali i motori termici. Si inizia con le simulazioni numeriche che sviluppano modelli di combustione e richiedono, in generale, l'uso di tecniche di calcolo termo-fluidodinamico. A tali tecniche sono affiancate attività sperimentali di supporto specifico alle indagini teoriche. L'uso di motori otticamente accessibili permette di applicare diagnostiche in-situ. Le caratteristiche di combustione di combustibili alternativi e la formazione di particolato sono studiate in condizioni controllate di alta temperatura e pressione, avvalendosi del tubo d'urto progettato e realizzato presso l'Istituto Motori. Allestimenti sperimentali sono realizzati ad hoc per lo studio e lo sviluppo di componentistica high-tech. L'acquisizione ed il controllo automatico dei segnali elettrici provenienti dai sensori ed attuatori del banco prova di azionamenti elettrici viene effettuata con la programmazione e gestione di centraline a microprocessore. Inoltre, le problematiche di integrazione dei sistemi di conversione/accumulo dell'energia elettrica sono analizzati con strumentazione specifiche. (literal)
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