Curriculum dell attività Scientifica, Accademica e Professionale Prof. Ing. Vittorio ROCCO

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1 Curriculum dell attività Scientifica, Accademica e Professionale Prof. Ing. Vittorio ROCCO Prof. Ordinario di Macchine a Fluido presso la Facoltà di Ingegneria dell'universita DI ROMA TOR VERGATA

2 INDICE DATI ANAGRAFICI; 3 DATI BIOGRAFICI; 3 BREVE INQUADRAMENTO GENERALE DEGLI INTERESSI SCIENTIFICI E DELLE PROSPETTIVE NELLE ATTIVITÀ DI RICERCA ; 4 ATTIVITÀ DI RICERCA; 6 ATTIVITÀ DI ORGANIZZAZIONE E GESTIONE DELLA RICERCA E DELLA DIDATTICA; 21 CONTRATTI E CONTRIBUTI PER L ATTIVITA DI RICERCA; 22 ATTIVITÀ DIDATTICA; 24 COLLEGAMENTI CON IL MONDO SCIENTIFICO INTERNAZIONALE; 25 ELENCO CRONOLOGICO DELLE PUBBLICAZIONI; 26

3 1 DATI ANAGRAFICI Nato Napoli il 22/3/1951, di nazionalità italiana; Residente in Napoli in via Vincenzo Scala n.9, cap 80128; Indirizzo PEC: Indirizzo Tel ; Fax DATI BIOGRAFICI Nel novembre del 1975 ha conseguito presso l'università di Napoli la laurea in Ingegneria meccanica con il massimo di voti e la lode (votazione di base 108,6), discutendo una tesi sulle Prestazioni dei turboreattori a doppio flusso con post-combustione in condizioni di volo subsonico e supersonico Dal 1978 al 1981 ha svolto attività di ricerca presso l Istituto Motori del C.N.R.come vincitore di una borsa di studio del Progetto Finalizzato ENERGETICA (Sottoprogetto Risparmio di Energia nella Trazione ) Nel febbraio 1979 ha superato un concorso a posti sovvenzionati per l'ammissione alla Scuola di Perfezionamento in Energetica presso il Politecnico di Milano, cui ha rinunciato per incompatibilità con la borsa di studio del C.N.R. della quale già usufruiva. Nel marzo 1980 è risultato vincitore di un concorso nazionale bandito dal C.N.E.N. per ingegneri meccanici, rinunciando all'assunzione propostagli presso il settore COGEP- PICO della sede centrale. Dall agosto 1980 al giugno 1987 ha prestato servizio, in qualità di ricercatore confermato presso la Facoltà di Ingegneria dell Università di Napoli Federico II. Nel luglio 1982 è risultato vincitore di un concorso nazionale bandito dal C.N.R. per ricoprire il ruolo di ricercatore presso l'istituto Nazionale dei Motori, ruolo non ricoperto in quanto già in servizio come ricercatore confermato nell'università di Napoli. Dal luglio 1987 al febbraio 2000 è stato Professore Associato presso la facoltà di Ingegneria dell Università di Roma Tor Vergata ; Dal 1/3/2000 è in servizio come Professore Ordinario presso la facoltà di Ingegneria dell Università di Roma Tor Vergata, ruolo che tuttora ricopre; Dal novembre 2000 al novembre 2008 è stato nominato Direttore del Dipartimento di Ingegneria Meccanica dell Università di Roma Tor Vergata,; Dal novembre 2008 è stato nominato Preside della Facoltà di Ingegneria dell Università di Roma Tor Vergata,, ruolo che ha ricoperto fino all attuazione della legge 240/10 di riforma dell Università Dal 2012 e per il triennio è stato eletto coordinatore nazionale della Giunta dei professori di Macchine e Sistemi per l Energia e l Ambiente gruppo concorsuale 09/C1. 3

4 Dal novembre 2013 e fino all insediamento come Direttore dell Istituto Motori è prorettore alla Didattica e coordinatore del curriculum design commitee dell Ateneo di Tor Vergata 3 BREVE INQUADRAMENTO GENERALE DEGLI INTERESSI SCIENTIFICI E DELLE PROSPETTIVE NELLE ATTIVITÀ DI RICERCA La globalizzazione e l internazionalizzazione delle attività di Ricerca nel campo dell Ingegneria, il cui carattere è sempre più multidisciplinare, ne hanno contraddistinto nel corso dell ultimo decennio l evoluzione delle modalità e delle logiche di organizzazione e sviluppo. In linea con questa tendenza, le sfide tecnologiche, oltre a svolgersi in un contesto globale, non più confinato in ambiti nazionali (e ciò è particolarmente vero nel settore automotive), sono sempre più delineate dalla necessità di sinergie tra diverse aree culturali con l interazione tra competenze fortemente interdisciplinari. Nel contempo, la classica distinzione tra Ricerca di Base e Ricerca Applicata, rispettivamente riconducibili alle funzioni degli enti pubblici e delle strutture private, si è sempre maggiormente sfumata. In particolare, ed in modo certamente significativo nelle attività dell Ingegneria, la collaborazione tra istituzioni pubbliche e private è divenuta sempre più indispensabile per accelerare il processo di sviluppo delle innovazioni e del loro trasferimento tecnologico, affinché le industrie che operano nel settore abbiano un alto grado di competitività nello scenario internazionale. Tali brevi osservazioni preliminari conducono all esigenza di definire nuove e più attuali metodologie operative che, tuttavia, richiedono un più complesso ma anche più efficiente sistema di gestione, in grado di armonizzare le attività coinvolte nella struttura di ricerca, superando, peraltro, quelle barriere che spesso impediscono una piena collaborazione e condivisione delle risorse e dei risultati. A ciò si unisce la primaria necessità di favorire la costituzione di poli che possano avere notevole attrattiva per Ricercatori provenienti da tutti i Paesi tecnologicamente avanzati sia attraverso gli strumenti forniti dalle iniziative europee (e particolare riferimento sarà rappresentato dalle future linee guida del programma HORIZON 2020) sia evitando il frazionamento dei differenti settori di ricerca in ambito pubblico e privato. Come osservato in precedenza, l evoluzione nel corso degli anni di un approccio di tipo interdisciplinare ha anche creato i presupposti più favorevoli per la generazione di network di ricerca mediante collaborazioni tra Istituti di Ricerca ed Università, nazionali ed internazionali, che mettano a fattore comune le competenze dei Ricercatori e consentano uno sfruttamento ottimale delle attrezzature a disposizione. Quanto sinora descritto risulta particolarmente vero quando ci si riferisca alle specificità del settore automotive, che ha avuto negli ultimi anni uno sviluppo improntato ad una crescente interconnessione tra gli aspetti tipici della meccanica e della termo-fludodinamica, e le tecniche di controllo, patrimonio dell elettronica e, oggi, della Information Technology. In linea con questo modello di sviluppo, anche l innovazione a medio termine dovrà essere affrontata investendo in maniera ancora più significativa sugli studi di base (relativi alle modalità di combustione, ai combustibili, alle soluzioni per la conversione e l immagazzinamento dell energia elettrica, etc), ed in modo congiunto con i settori, in grande espansione, della microelettronica e dell Informatica. Si tratterà quindi di proseguire nello sviluppo di capacità sempre più approfondite di predire e interpretare i fenomeni alla base del funzionamento dei processi fondamentali dei motori tradizionali ed innovativi (combustione, turbolenza, chimica e sintesi dei combustibili, elettrochimica, formazione e abbattimento inquinanti). In questo va ancora evidenziato il ruolo particolarmente significativo della Struttura di Ricerca Pubblica. Quest ultima ha, infatti, come propria missione anche l obiettivo di affrontare tematiche 4

5 finalizzate al superamento degli attuali limiti del trasporto individuale e di massa che sintetizzino soluzioni, non ancora implementabili a livello tecnologico, ma delle quali la realizzazione e verifica dal punto di vista sperimentale possa contribuire a sensibilizzare e promuovere il dibattito in ambito scientifico e industriale. Nel corso delle esperienze fatte si è maturata la convinzione del primato dell approccio sperimentale, l unico che consenta di conferire validità a soluzioni fortemente innovative e di favorirne il trasferimento tecnologico, generando, in tal senso, interesse da parte dei finanziatori del settore industriale. In linea con quanto precedentemente osservato, è possibile identificare alcune delle tematiche di avanguardia che costituiscano un punto di riferimento per la ricerca in campo automotive: Studio di powertrain caratterizzati da elevata efficienza e ridottissime emissioni. Si intende operare sull analisi e sintesi di concetti innovativi di combustione, sull implementazione di strategie di controllo ottimali per veicoli ibridi plug-in, e su analisi e sintesi di soluzioni di abbattimento degli inquinanti caratterizzate da efficienza elevata in ogni condizione. Sarà inoltre importante puntare sull integrazione del mondo del trasporto con quello dell energia, soprattutto attraverso il concept della smart-grid. Studio di soluzioni innovative per la mobilità sostenibile, soprattutto in ambito urbano, in grado di integrare il controllo del veicolo e del relativo propulsore con sistemi di gestione del traffico e di infomobilità onde sfruttare al massimo il potenziale offerto da veicoli plug-in ed elettrici. Sintesi di soluzioni per rendere indipendente il settore del trasporto, e quello energetico più in generale, dalle fonti di origine fossile. Risulterà fondamentale, a tale riguardo, il ruolo dei biocombustibili, per i quali si dovranno studiare soluzioni sostenibili dal punto di vista del processo produttivo, e soprattutto concorrenziali, almeno in prospettiva, con le fonti fossili. Sarà inoltre fondamentale il ricorso a combustibili alternativi, non necessariamente di origine rinnovabile, quale il gas naturale, il cui potenziale non è ancora pienamente sfruttato. E da sottolineare che i centri di Ricerca pubblici hanno anche tra le proprie vocazioni una funzione trainante per l implementazione di soluzioni innovative nel breve-medio termine, essendo maggiormente indipendenti dal time-to-market, che orienta la ricerca industriale, consentendo di ricorrere ad un più ampio portfolio di competenze multidisciplinari. In campo automotive, un esempio sviluppato nel recente passato è rappresentato dall evoluzione del veicolo a trazione ibrida, verso paradigmi più innovativi, quali i veicoli ibridi plug-in, elettrici o con celle a combustibile. Un integrazione nel prossimo futuro, con la rete di geo-informazione globale, permetterà di conseguire risultati molto vantaggiosi in termini di efficienza energetica e di sostenibilità. Tali risultati sono derivati dalla sinergia di competenze acquisite in una pluralità di settori, quali quelli relativi agli studi in campo motoristico (motori termici ed elettrici), controllistico, elettrochimico, dei materiali, elettronico, etc. Coerentemente con quanto illustrato, l esperienza personale maturata negli studi teorici e sperimentali, sviluppatasi nei primi anni di carriera con la diretta partecipazione alle attività di ricerca condotte sia in laboratorio sia nel calcolo per la simulazione matematica dei processi, ha consentito successivamente di affiancare allo studio un ruolo di indirizzamento e gestione di gruppi di lavoro che da anni operano nel perseguimento di ambiziosi obiettivi di Ricerca per lo sviluppo di soluzioni innovative nel campo della sostenibilità energetica ed ambientale per il trasporto. 5

6 4 ATTIVITÀ DI RICERCA L'attività scientifica è sempre stata rivolta a tematiche inerenti al settore delle macchine a fluido. In termini cronologici, nei primi anni successivi alla laurea ( ), egli si è dedicato principalmente al settore dei motori per aeromobili e delle macchine speciali, mentre, successivamente, si è sempre più indirizzato verso i motori a combustione interna alternativi che da molti anni costituiscono il suo principale settore di interesse scientifico da un punto di vista sia sperimentale che di modellazione dei processi e fenomeni che li caratterizzano. Nella sua attività di ricerca il sottoscritto ha sempre cercato di trattare argomenti che fossero legati a problematiche di ordine sia progettuale che applicativo. In particolare, allo scopo di ottenere risultati il più possibile utili ai fini dell'analisi e della soluzione dei temi affrontati, ha fatto ampio ricorso ai più aggiornati e specifici strumenti matematici e numerici per lo sviluppo di modelli di simulazione ed ha, anche, in ogni caso curato personalmente la sperimentazione in laboratorio. L'attività scientifica, oltre che presso il Dipartimento di Ingegneria Meccanica dell'università di Roma "Tor Vergata", è stata anche condotta, negli anni precedenti l'entrata in servizio come professore associato, presso l'istituto Motori del C.N.R. di Napoli in qualità di assegnatario di un borsa di studio e presso il Dipartimento di Ingegneria Meccanica per l'energetica dell'università di Napoli in qualità di ricercatore confermato. Il Prof. Rocco ha prodotto oltre 115 pubblicazioni. Le pubblicazioni, in riferimento ai principali settori delle Macchine trattati, possono fondamentalmente essere raggruppate secondo tre tematiche di ricerca e molteplici argomenti trattati nella tematica relativa ai motori a combustione interna. Le attività di ricerca pubblicate sono state in gran parte condotte in collaborazione con Industrie avanzate del settore (Magneti Marelli Italia, Magneti Marelli France, Fiat, Elasis) e con Altri Enti di Ricerca (Istituto Motori CNR, Enea, IFP.,Centro Ricerche FIAT) e Università (University of British Columbia, West Virginia University), avvalendosi, peraltro, dei risultati dell'attività sperimentale svolta presso il Laboratorio Prova Motori dell'università di Roma "Tor Vergata". All attività pubblicistica il sottoscritto ha affiancato attività di session-organizer (congressi SAE), e di reviewer per riviste internazionali del settore (International Journal of Engine Research). Le tematiche trattate sono sinteticamente esposte nel seguito secondo un criterio che evidenzi, per quanto possibile, soprattutto la continuità temporale dell'attività scientifica svolta. Le pubblicazioni prodotte nell'ambito di ciascuna tematica di ricerca sono indicate tra parentesi secondo la numerazione dell'elenco completo allegato nello schema che segue e successivamente suddivise secondo la sede di presentazione. 6

7 SUDDIVISIONE DELLE PUBBLICAZIONI PER TEMATICHE DI RICERCA INDICATE SECONDO LA NUMERAZIONE DELL ELENCO COMPLETO ALLEGATO 1 Propulsori aeronautici [1,2] 2 Macchine speciali [3] 3 Modellistica, sperimentazione e controllo dei motori alternativi a combustione interna: 3.1 Rendimento meccanico [4,8,13,14,16] 3.2 Coefficiente di riempimento [5,6,9] 3.3 Studio di processi transitori [10,17,21,37] 3.4 Sistemi di iniezione per motori a ciclo Diesel ad iniezione diretta per trazione automobilistica [11,15,55,72,91,98,99,102,104] 3.5 Analisi sperimentale e modellistica del processo di combustione nei motori ad a.c. a carica omogenea e ad iniezione diretta (GDI) [23,25,27,62,65,66,74,76,77,79,81,83,84,86] 3.6 Analisi sperimentale e modellistica del processo di combustione nei motori ad accensione per compressione [28,29,37,38,39,40,46,50,78,80,85] 3.7 Processo di formazione delle emissioni inquinanti all'interno dei m.c.i. [18,26,30,53,59,100] 3.8 Controllo delle emissioni inquinanti [20,22,24,31,32,33,34,35,36,41,42,43,47,48,54,58,63,108,109,110,111,112] 3.9 Processo di formazione della miscela aria-combustibile [44,51,56,57,62,65] 3.10 Simulazione integrata del motore [60,61,67,70,89,94] 3.11 Impiego di combustibili alternativi [49,52,64,68,71,73,75,82,87,88,90,92,93,95,96,97,103,105,106,107,113,114,117] 3.12 Studio sperimentale di veicoli ibridi plug-in [115,116] 7

8 SUDDIVISIONE DELLE PUBBLICAZIONI SECONDO LA SEDE DI PRESENTAZIONE Pubblicazioni su Riviste Internazionali [32, 35, 38, 39, 48,72, 80,81,82,87,88,103,106,115] Pubblicazioni presentate a Congressi Internazionali SAE ed ASME [4,16,24,26,27,28,29,47,49,51,53,55,57,62,65,74,75,76,83,86,90,93,94,96,97,104,105,107,109,1 11,113,114,117] Pubblicazioni presentate a Congressi Internazionali [3,6,8,12,13,14,15,17,21,22,23,30,31,34,40,41,52,56,58,59,66,67,68,69,73,78,79,92,98,101,102, 116] Pubblicazioni su Riviste Nazionali [1,2,18,36,37,60,61] Pubblicazioni presentate a Congressi Nazionali [5,7,9,10,11,19,20,25,33,42,43,44,45,46,50,54,63,64,71,77,84,85,89,91,95,99,100,108,110,112] PRESENTAZIONE DELLE TEMATICHE 1. Propulsori aeronautici I temi affrontati in questo settore riguardano lo studio delle prestazioni dei turbogetti a doppio flusso, analizzate in regime di funzionamento stazionario per condizioni di volo subsonico e supersonico. In un primo lavoro [1], allo scopo di valutare l'influenza della velocità di volo sulle prestazioni dei turbogetti a doppio flusso a flussi miscelati e dei turbogetti a semplice flusso, si sono elaborati due programmi di calcolo che, simulando i cicli termodinamici reali dei motori, hanno permesso di studiarne le caratteristiche propulsive nel funzionamento con postcombustione ed al variare di diversi parametri caratteristici. Successivamente, si è condotto uno studio teorico [2] sulle prestazioni dei turboreattori a doppio flusso, nelle due versioni a flussi miscelati e separati che, seppur semplificato, ha consentito di condurre una analisi comparativa a parità di condizioni termodinamiche del ciclo di funzionamento ed al variare del rapporto di bypass. 2. Macchine speciali In tale tematica si è affrontato uno studio di carattere teorico-sperimentale [3], nell'ambito di un programma di ricerca che ha fatto parte del progetto finalizzato Energetica del C.N.R., volto a sviluppare un motore alternativo funzionante secondo il ciclo Brayton, a circuito chiuso e con adduzione di energia termica dall'esterno. La sperimentazione, effettuata con il prototipo realizzato presso l'istituto Nazionale dei Motori, è stata condotta utilizzando quale fluido operativo sia l'azoto che l'elio, evidenziando le diverse caratteristiche di coppia motrice e del ciclo indicato rilevato, al variare sia della temperatura di ammissione che della pressione di mandata del fluido. 3.Modellistica, sperimentazione e controllo dei motori alternativi a combustione interna 8

9 In tale ambito il sottoscritto ha affrontato una pluralità di tematiche, trattando sia aspetti riguardanti la messa a punto di metodologie sperimentali per il rilievo e la misura di parametri operativi caratteristici, sia lo sviluppo di modelli matematici di simulazione di fenomenologie connesse al funzionamento del "sistema" motore nel suo complesso o a quello di suoi componenti. Allo scopo di conferire la massima chiarezza espositiva, i contenuti dei lavori scientifici prodotti in tale settore vengono, qui di seguito, sinteticamente descritti raggruppandoli, ove possibile, in relazione alla specifica tematica affrontata. 3.1 Rendimento meccanico Tale tema di ricerca è stato sviluppato studiando le differenti problematiche connesse con la misura delle perdite di attrito e con le perdite di natura fluidodinamica dovute al ciclo di bassa pressione dei motori (ciclo di "pompaggio").nel lavoro [4] viene effettuato un confronto tra i metodi di misura del rendimento meccanico più diffusamente usati (metodo del trascinamento, metodo del cilindro inattivo, metodo della rilevazione del ciclo indicato) applicati ad un motore policilindrico a quattro tempi ad accensione comandata. Il confronto dei risultati sperimentali così ottenuti, operato mediante la applicazione della teoria dell'errore ai dati rilevati, ha fornito utili indicazioni sull'accuratezza e sull'affidabilità di ciascuno dei metodi di misura presi in esame. L'esperienza maturata nell'effettuazione di tali misure al banco prova motori, con particolare riferimento alla acquisizione del ciclo indicato di pressione, ha, successivamente, fornito lo spunto per effettuare un'ampia indagine volta ad una separata valutazione delle perdite di attrito e fluidodinamiche per i motori sia ad accensione comandata che ad accensione per compressione, analizzando l'influenza che su tali perdite esercitano i diversi parametri motoristici quali il regime di rotazione, il carico ed il grado di sovralimentazione [8,13]. Nel lavoro [13] è stata altresì effettuata un'analisi dell'influenza che l'errore legato alla determinazione della posizione angolare di riferimento del pistone al punto morto superiore di fine compressione esercita sulla misura della pressione media indicata e, di conseguenza, sulla incertezza di valutazione del rendimento meccanico. Allo scopo di eliminare, almeno in parte, tale errore di misura, come descritto nei lavori [14,16], il sottoscritto ha progettato e realizzato un originale dispositivo in grado di misurare la posizione angolare di riferimento di p.m.s. in condizioni dinamiche, ovvero trascinando il motore oggetto di tale sperimentazione a diversi regimi di rotazione. Tale sperimentazione, effettuata su un motore Diesel monocilindrico da ricerca, oltre a mostrare la validità della metodologia sviluppata in termini di accuratezza raggiunta nella determinazione del p.m.s., ha dato spunto anche ad interessanti considerazione sull'effettiva incertezza della posizione dinamica del pistone al p.m.s Coefficiente di riempimento Nei lavori [5,6,9] si è studiata e verificata sperimentalmente la possibilità di valutare il coefficiente di riempimento dei motori ad accensione comandata e ad accensione per compressione, mediante una metodologia che si basa sul rilievo di dati di pressione misurati durante la fase di aspirazione del motore. L'elaborazione dei dati sperimentali, rilevati per ampi campi di funzionamento dei motori oggetto delle prove al banco, ha fornito valori del coefficiente di riempimento cosi' ottenuti, molto ben correlabili con quelli direttamente misurati. Allo scopo, poi, di contribuire allo sviluppo di tecniche di misura a bordo in grado di fornire dati attendibili ed in tempo reale del coefficiente di riempimento è stata verificata la possibilità di effettuarne una valutazione utilizzando solo alcuni valori rilevati in punti particolari della fase di aspirazione. I risultati ottenuti seguendo tale strategia [9] hanno ancora mostrato di essere ben correlabili, suggerendo, di conseguenza, la possibilità di utilizzare trasduttori di pressione di basso costo 9

10 che, installati sulla camicia del cilindro in prossimità del punto morto inferiore, verrebbero sottoposti a più contenute sollecitazioni di natura termica e meccanica. 3.3 Studio di processi transitori Nell'ambito di tale attività di ricerca si è partiti dallo sviluppo di un modello matematico di simulazione unidimensionale del flusso in un condotto, con risoluzione alle differenze finite; mediante il modello in parola si è inizialmente verificata la possibilità di misurare indirettamente, attraverso il rilievo di dati sperimentali di pressione e temperatura, la portata massica d'aria in condizioni di transitorio in un condotto di prefissata geometria [10]. Successivamente la metodologia è stata dapprima verificata rispetto ai dati misurati su un motore monocilindrico da ricerca ad accensione comandata [17] e quindi direttamente applicata ad un condotto disposto all'aspirazione di un motore policilindrico a ciclo Diesel e strumentato in modo da poter rilevare, in funzione del tempo, l'andamento dell'oscillazione di pressione nelle sezioni delimitanti il volume di controllo prefissato [21].I risultati hanno confermato la validità della metodologia sviluppata nel seguire le condizioni di instazionarietà del flusso, ponendo, in tal modo, le basi di un suo impiego per l'analisi e la misura dei transitori e/o instazionarietà di un flusso in una varietà di applicazioni riguardanti le macchine. Nel lavoro [37] è, invece, presentata una metodologia di calcolo per la determinazione dell'influenza esercitata da una trappola per particolato, di materiale ceramico, sulle prestazioni di un motore Diesel per l'autotrazione leggera, in condizioni di funzionamento non stazionarie. Il modello di simulazione sviluppato, permettendo una prima determinazione del decadimento prestazionale dovuto alla contropressione di scarico, consente di fornire utili indicazioni, oltre che di natura progettuale, anche per una preventiva identificazione di quelle condizioni di esercizio in transitorio del motore per le quali risulti di maggior interesse effettuare la necessaria ma complessa indagine sperimentale. 3.4 Sistemi di iniezione per motori a ciclo Diesel ad iniezione diretta per trazione automobilistica La notevole influenza delle prestazioni dell'apparato di iniezione sul funzionamento dei motori Diesel veloci ha suggerito lo studio di un procedimento di ottimizzazione del progetto di tale apparato in relazione all'ottenimento della massima velocità media di iniezione. A tale scopo, dopo aver sviluppato un modello matematico di simulazione dell'intero sistema di iniezione ed averlo tarato e verificato rispetto alle prove sperimentali effettuate in laboratorio su di una pompa di fabbricazione BOSCH, si è messo a punto un algoritmo di ottimizzazione vincolata di tipo diretto [11]. L'ottimo accordo trovato tra i risultati ottenuti e quanto indicato dalla stessa sperimentazione ha mostrato la validità della metodologia proposta che si può porre come utile preliminare strumento di progettazione degli apparati di iniezione, in quanto consente di ridurre notevolmente la onerosa fase di sperimentazione delle diverse possibili configurazioni del sistema stesso. L'interesse mostrato dall'industria del settore nei confronti di tale criterio di ottimizzazione del progetto ha, successivamente, suggerito di valutare l'influenza sulla soluzione ottimale trovata in funzione di diversi parametri funzionali, quali il regime di rotazione della pompa di iniezione e la quantità di combustibile iniettata per ciclo [15]. Il confronto tra le configurazioni del sistema ottenute per le diverse condizioni di funzionamento analizzate e tra le relative prestazioni ha fornito ulteriori indicazioni circa i criteri di progettazione di tale sistema. Successivamente, nel lavoro [55], si è sviluppato un modello di simulazione di un sistema di iniezione di tipo "Common-rail" costituito da due tipologie di approccio: simulazione a parametri concentrati per pompa e iniettore vero e proprio; simulazione fluidodinamica ai volumi finiti 1-D per il condotto di collegamento pompa-camera di iniezione; 10

11 La predittività del modello di simulazione è stata, quindi, verificata sia per l'andamento della massa iniettata (globale ed istantanea), sia per l'andamento dell'alzata spillo, per differenti valori della pressione di iniezione. Il confronto dei risultati del calcolo con quelli sperimentali rilevati su un apposito banco prova, installato presso l'institute Francais du Petrole di Parigi, mostrando un ottimo accordo, ha reso possibile la conduzione di un'analisi parametrica per la valutazione dell'influenza esercitata da alcuni parametri geometrici sul tempo di iniezione e sulla massa iniettata. Nel lavoro [72] si è ulteriormente verificato il grado di accuratezza del modello, effettuando prove al banco per pressioni di iniezione variabili sino a 1500 bar. Anche in queste condizioni, si è riscontrata un'ottima capacità predittiva del modello anche in relazioni ad alcuni effetti dinamici che si manifestano in termini di compressione della barra di collegamento tra spillo e sistema di azionamento con solenoide. Tali effetti, presenti nella più completa versione del modello di simulazione, hanno consentito uno studio più approfondito del comportamento dell'intero sistema e, quindi, di valutare i ritardi di risposta tra impulso fornito al solenoide ed effettiva alzata dello spillo, al variare sia della pressione di iniezione sia della massa iniettata per colpo in funzione, anche in termini angolari rispetto ad una velocità di rotazione equivalente. Nei lavori [91,98,99,102,104] si è focalizzata l attenzione sulla simulazione del processo di iniezione ad alta pressione, ed in particolare sull interazione dello spray con il muro. Sono stati a tale scopo implementati sotto-modelli di iniezione e impingement in un codice 3D (KIVA-3V), tipicamente utilizzato per la simulazione di motori a combustione interna, confrontando i risultati ottenuti, in termini di visualizzazione dei getti in prossimità del muro, con quanto ottenuto sperimentalmente presso l Istituto Motori CNR di Napoli (Ing. L. Allocca) in una camera mantenuta ad alta pressione, simulando condizioni operative simili a quanto tipicamente evolvente in camere di combustione di motori Diesel. 3.5 Analisi sperimentale e modellistica del processo di combustione nei motori ad a.c. a carica omogenea e ad iniezione diretta (GDI) Nel lavoro [25] è presentato un modello matematico predittivo del ciclo di pressione a "valvole chiuse" di tipo fenomenologico a due zone (quasi dimensionale). La simulazione del processo di combustione è stata sviluppata secondo l'ipotesi di avanzamento del fronte di fiamma in regime di combustione turbolenta, condizione, quest'ultima, che ha richiesto la formulazione di un ulteriore sottomodello di turbolenza del tipo K-ε. Dopo una iniziale messa a punto del modello si è, quindi, studiato l'effetto dei diversi parametri liberi di taratura sulle capacità predittive del modello stesso, confrontando i valori calcolati di pressione con diagrammi indicati rilevati su un motore monocilindrico. I risultati ottenuti dal calcolo hanno mostrato, in generale, un buon accordo con i dati sperimentali, in tutto il campo di funzionamento esaminato, ovvero al variare sia del rapporto aria combustibile che dell'anticipo e del regime di rotazione del motore oggetto delle prove al banco. Nel lavoro [27] è invece operato un confronto tra le capacità predittive di modelli di simulazione sia di tipo fenomenologico che dimensionale. Dopo aver illustrato che un approccio del tipo a singola zona, stante il vincolo di assegnazione della legge di rilascio del calore, ha una sua precipua utilità solo se associato ad un suo uso in forma inversa, ovvero interpretativo dei dati di pressione rilevati (utilizzo di tipo "diagnostico"), si sono poi confrontati i risultati di un modello fenomenologico a due zone [25], con quelli ottenuti mediante modelli di simulazione di tipo dimensionale. Dal confronto con i dati sperimentali si è verificato che, in ogni caso, le condizioni iniziali di turbolenza influenzano notevolmente le capacità predittive dei modelli sia fenomenologici che dimensionali. Nel lavoro [23], infine, vengono, con senso critico, illustrate le peculiari caratteristiche dei modelli di simulazione del processo di combustione di tipo fenomenologico, indicandone i limiti nonché i diversi campi di più utile applicazione. 11

12 Successivamente, negli ultimi anni di attività, si sono sviluppati modelli matematici di simulazione di impostazione fluidodinamica. In questo caso essi sono stati formulati con specifico riferimento ai motori ad iniezione diretta di benzina. Il dominio fisico costituito dall insieme cilindro-valvola-condotto di aspirazione viene perfettamente rispettato in una rappresentazione tridimensionale. La indeterminazione tipica dei codici di calcolo che descrivono il processo di combustione a partire da assegnate condizioni di moto d aria presente nel cilindro alla fine della fase di aspirazione, viene superata dalla completezza del calcolo, estesa a tutto il ciclo motore che permette di descrivere, in estremo dettaglio, le condizioni di flusso in tutto l ìnsieme condotto-sezione valvola-cilindro. Lo sviluppo di tale modello (del quale si sottolinea la capacità di tener conto anche del moto della valvola di aspirazione), ha reso possibile lo studio del processo di combustione nei motori ad iniezione diretta, oltre che nelle condizioni di funzionamento con carica omogenea, anche per condizioni di alimentazione con stratificazione della carica. L attendibilità dei risultati ottenuti, verificata con i dati sperimentali forniti dai laboratori della Magneti Marelli France, ha consentito di effettuare studi sull ottimizzazione del campo di moto, in dipendenza dalla particolare geometria della testa pistone e testa cilindro, anche in relazione al posizionamento dell iniettore, in modo da assicurare condizioni regolari di combustione anche in presenza di forti gradienti di concentrazione del combustibile, tipici della carica stratificata [62,65,66,74]. In [76,77,81] è stato studiato il fenomeno dell accensione, fondamentale per la corretta rappresentazione del successivo fenomeno di combustione turbolenta, mediante codici 3D (basati su KIVA-3V), con l obiettivo, di più lungo periodo, di poter meglio indagare sulle cause del fenomeno della variazione ciclica in motori a carica omogenea alimentati a gas naturale. Il modello di accensione è stato formulato a partire da una precedente pubblicazione SAE di Herveg e Maly. I risultati ottenuti, anche confrontati con dati sperimentali misurati presso il CNR Istituto Motori di Napoli (Ing. M. Gambino), hanno consentito di comprendere come la fase di evoluzione primigenia del nucleo di fiamma sia strumentale per avere un corretto confronto con i dati sperimentali, e come la particolare realizzazione del ciclo di pressione possa effettivamente dipendere dal fenomeno dell accensione in funzione di parametri locali fortemente variabili di ciclo in ciclo soprattutto in termini di rapporto stechiometrico e parametri caratteristici turbolenti. In [79], e successivamente in [83,84,86], sono stati implementati modelli di combustione turbolenta in codici 3D (ancora basati su KIVA-3V), con l obiettivo di rappresentare con accuratezza il processo di combustione al variare delle condizioni operative del motore in termini di carico e numero di giri. In particolare, i modelli di combustione sono stati formulati a partire dall ipotesi delle flamelet, che considera i fenomeni turbolenti disaccoppiati da quelli chimici, consentendo di risolvere il processo di combustione attraverso un ulteriore equazione per il tracciamento del fronte di fiamma. I risultati ottenuti, soprattutto in [83,84,86] mediante confronto con 17 casi sperimentali misurati al banco prova motori dell Università di Roma Tor Vergata relativamente ad un motore ad accensione comandata FIAT 1.2l, hanno consentito di dimostrare l accuratezza del modello complessivo. I risultati ottenuti possono essere considerati ragguardevoli soprattutto considerando che le costanti di calibrazione del modello di combustione turbolenta sono state mantenute invariate attraverso i 17 casi sperimentali, variabili per carico e numero di giri. 3.6 Analisi sperimentale e modellistica del processo di combustione nei motori ad accensione per compressione Come per i motori ad accensione comandata, anche per questa categoria di propulsori si è svolta un'attività di ricerca che ha avuto per scopo la verifica della predittività che modelli di diversa impostazione (fenomenologica e fluidodinamica) hanno nel simulare il processo di combustione. Nel lavoro [28] si sono confrontati i risultati ottenuti con il più semplice approccio a singola zona con quelli ottenuti mediante un modello di tipo multi zona, 12

13 sviluppato a partire dalla iniziale formulazione dovuta ad Hiroyasu, e con quelli calcolati mediante l'uso di un codice multidimensionale. Nel lavoro [38] si è invece, con maggiore approfondimento, studiata la simulazione del processo di evaporazione del combustibile iniettato nella camera di combustione di un motore Diesel ad iniezione diretta. A tale scopo si è sviluppato un modello di tipo "quasi stazionario" che meglio descrivesse la complessa fenomenologia di tale processo. Dopo aver verificato i risultati ottenuti considerando l'evoluzione del fenomeno in condizioni di aria calma rispetto a dati sperimentali reperiti in letteratura, il modello in parola è stato direttamente utilizzato in un codice multidimensionale di simulazione del processo di combustione. Si è, quindi, effettuato un confronto tra i cicli di pressione calcolati mediante l'applicazione del modello proposto sia con quelli ricavati con il sottomodello di evaporazione originariamente presente nel codice, sia con i dati sperimentali misurati in laboratorio su un motore monocilindrico Diesel ad iniezione diretta di piccola cilindrata. Tale confronto, oltre a confermare la grande importanza che l'accuratezza del modello di simulazione del processo di evaporazione delle goccioline del combustibile iniettato assume nella simulazione complessiva del processo di combustione, ha anche chiaramente evidenziato come l'approccio adottato contribuisca sensibilmente al miglioramento delle capacita' predittive di modelli di tipo multidimensionale, in termini di andamento del ciclo di pressione. Per quanto attiene ai motori a ciclo Diesel a due tempi, è stato sviluppato un modello matematico di simulazione bidimensionale del campo di moto e dell'interazione tra quest'ultimo e lo spray all'interno della camera di combustione. I risultati di tale indagine, riportati nella memoria [29], hanno mostrato l'esistenza di un valore critico dell'angolo di spray, oltre il quale i fenomeni di penetrazione del getto e di vaporizzazione delle goccioline di combustibile tendono a peggiorare. La simulazione effettuata ha, quindi, evidenziato come, con un opportuno disegno della camera di combustione, sia possibile migliorare le caratteristiche di penetrazione del getto e di vaporizzazione della fase liquida permettendo, in tal modo, di ottimizzare la formazione e la omogeneizzazione della miscela aria-combustibile. Nella memoria [39], prendendo spunto dagli studi in precedenza svolti sugli errori di misura connessi con l'indeterminazione della posizione angolare del punto morto superiore, si è analizzata l'influenza che tale indeterminazione esercita sull'andamento del rilascio di calore. A tale scopo, dopo aver rilevato al variare del regime di rotazione e del rapporto ariacombustibile una serie di cicli indicati, si è sviluppato un modello inverso a singola zona che ha permesso di ricavare l'andamento del rilascio di calore nelle diverse condizioni di funzionamento studiate. Si è, quindi, imposto un errore di riferimento del P.M.S. variabile e si sono confrontate le curve di rilascio di calore così ottenute, evidenziando come un errore anche molto contenuto comporti non trascurabili variazioni nell'analisi sia qualitativa che quantitativa dell'evoluzione del processo di combustione e dell'efficienza di conversione dell'energia termica in energia meccanica. Nel lavoro [40] è stato, invece, valutato, insieme con l'effetto dell'errore di posizionamento del P.M.S., anche quello dovuto ad altri errori di misura, direttamente coinvolti nel calcolo del rilascio di calore desunto dal ciclo di pressione. Tale influenza è stata studiata applicando sia una analisi parametrica sia mediante una più completa analisi di sensibilità, potendo in tal modo apprezzare la mutua interferenza tra le variabili indipendenti (errori di misura) nonchè i coefficienti di influenza del primo e del secondo ordine con cui tali errori concorrono a determinare l'errore globale sulla "funzione obiettivo" calore rilasciato durante la combustione. Questa metodologia, oltre a fornire utili indicazioni circa l'importanza degli errori di misura nella valutazione del rilascio di calore con specifico riferimento alla strumentazione impiegata nell'indagine sperimentale, può più in generale essere utilizzata per prevedere il possibile campo di incertezza nella analisi indiretta del processo di combustione, quando venga utilizzata una strumentazione di diversa classe di precisione. Successivamente, nel lavoro [46] si sono effettuate ulteriori considerazioni sull analisi del rilascio del calore nei motori Diesel ad iniezione diretta, volte a mettere in 13

14 evidenza gli effetti derivanti dalle condizioni operative del motore sull andamento del processo di combustione in fase premiscelata ed in fase diffusiva, anche in relazione alle modalità di interpretazione dei cicli di pressione misurati. Nel lavoro [50] viene presentata un ampia indagine sperimentale condotta presso il laboratorio prova motori dell Università di Tor Vergata, sulla base della quale è stato analizzato il processo di combustione di un motore monocilindrico a ciclo Diesel ad iniezione indiretta, allo scopo di valutare sia complessivamente sia separatamente nella precamera e nella camera di combustione gli andamenti del processo di combustione stesso. In [78], e soprattutto in [80] e [85], sono stati utilizzati codici multidimensionali per l implementazione di sotto-modelli di iniezione, auto-accensione e combustione particolarmente adatti per la rappresentazione di tali fenomeni in motori Diesel a iniezione diretta dotati di sistema di iniezione common-rail. I sotto-modelli sono stati implementati in KIVA-3V, e validati attraverso confronto con dati sperimentali, in termini di cicli di pressione a vario carico e numero di giri fisso (2500 rpm, corrispondenti alla coppia massima), misurati in un motore FIAT 1.9l con pressione massima di iniezione pari a 1350 bar. 3.7 Processo di formazione delle emissioni inquinanti all'interno dei m.c.i Nei lavori [18,26,30] si è sviluppata ed analizzata una metodologia di controllo in tempo reale delle emissioni di ossidi di azoto che si formano durante il processo di combustione nei motori ad accensione comandata. L'impossibilità di poter disporre a bordo di un autoveicolo di un sensore di tale specie inquinante ha, infatti, suggerito lo sviluppo di una metodologia che si basa sul rilievo di altri parametri motoristici ai quali viene correlata, in tempo reale, la valutazione delle concentrazioni di NOx presenti nei gas di scarico. Dopo aver effettuato una serie di prove sperimentali, già in [18] si sono ottenuti risultati interessanti, verificando che un semplice modello interpretativo a singola zona dei dati di pressione rilevati in camera di combustione nell'intorno del punto morto superiore è in grado di fornire una stima della concentrazione di NOx in buon accordo con i rilievi sperimentali effettuati. Nel lavoro [26] si è, quindi, operata una ulteriore messa a punto della metodologia proposta mediante una più ampia campagna sperimentale, verificando che, al variare dei parametri di controllo e di funzionamento del motore oggetto delle prove al banco, i risultati ottenuti apparivano ben correlabili anche variando sensibilmente il rapporto di dosatura della miscela ariacombustibile. Nella memoria [30] si è, inoltre, valutato l'effetto che gli errori legati ai sensori ed agli attuatori possono provocare sul rilievo indiretto degli ossidi di azoto e si è potuto verificare come tale effetto possa essere attenuato in modo da fornire, in ogni condizione di funzionamento del motore e, comunque in tempo reale, un'accurata valutazione delle concentrazioni di ossidi di azoto. Nei lavori [53 e 59] viene presentato un modello di simulazione del processo di formazione degli idrocarburi incombusti nei motori ad accensione comandata. In particolare, nel lavoro [53], tale modello è stato sviluppato specificamente per un motore turbocompresso alimentato a metano, impiegato per la trazione pesante. Per simulare i differenti fenomeni, l interno cilindro è stato suddiviso in più zone (intercapedini tra pistone e cilindro, gas combusti, strato limite termico di parete, formazione di un vortice durante la fase di scarico forzato) in modo da considerare l interazione fra ciascuna di esse al fine di studiare come gli idrocarburi sfuggiti al processo di combustione primaria possano essere ossidati durante la fase di fine espansione e di scarico prima di essere immessi nell ambiente. Il confronto tra i risultati del calcolo e quelli sperimentali rilevati presso l Istituto Motori del C.N.R. ha messo in evidenza l importanza del volume delle intercapedini che trattengono la miscela introdotta nel cilindro e gli effetti dovuti al carico ed alla velocità di rotazione sul processo di ossidazione. Nel lavoro [59] il modello di simulazione è stato esteso ai motori alimentati a benzina, simulando, in questo caso, anche il fenomeno di adsorbimento da parte del film d olio che aderisce alle pareti del cilindro nei confronti della miscela aria-combustibile aspirata dal motore. I dati forniti dal modello di simulazione sono 14

15 stati confrontati, in questa specifica applicazione, con i risultati sperimentali ottenuti sia su un motore monocilindrico da ricerca che con un motore policilindrico commerciale, rendendo, così, possibile una valutazione separata dei contributi alle emissioni di idrocarburi in relazione alla misura globale effettuata con l analizzatore FID. I motori Diesel common rail multijet sono stati inoltre oggetto di studio in [100], soprattutto dal punto di vista delle capacità predittive di modelli multidimensionali basati sul codice KIVA-3V. I risultati ottenuti tramite modello sono stati validati con riferimento a dati sperimentali ottenuti mediante misura effettuate su un motore Diesel common rail multijet da 1.3l. 3.8 Controllo delle emissioni inquinanti Tale attività di ricerca è stata focalizzata sulle problematiche relative al funzionamento in condizioni stazionarie e non dei dispositivi di abbattimento delle sostanze inquinanti emesse con i prodotti di combustione e la loro interazione con il propulsore, rispettivamente per i motori a ciclo Diesel e per i motori a ciclo Otto. Per tali studi si sono sia condotte attività sperimentali presso il laboratorio prova motori di Tor Vergata sia sviluppati modelli di simulazione in grado di fornire informazioni sul comportamento funzionale di tali dispositivi, soprattutto durante i transitori termici tipici, ad esempio, delle condizioni che si realizzano nelle partenze a freddo. A tale proposito, è stato inizialmente sviluppato un modello di simulazione di tipo fenomenologico. Nel lavoro [24] il modello in parola è stato accoppiato ad un modello fluidodinamico monodimensionale di simulazione del flusso dei gas combusti nei condotti di scarico di un motore policilindrico, allo scopo di studiare l'effetto sia dei parametri funzionali del motore (regime di rotazione, rapporto di dosatura, etc.) che della geometria del sistema di scarico sul processo di rigenerazione del filtro ceramico. Sempre seguendo la stessa schematizzazione del dispositivo, ma riferendosi ad una versione bicilindrica di un motore Diesel, in [22] vengono presentati i risultati relativi all'influenza che una differente collocazione della trappola nel sistema di scarico ed un diverso quantitativo di particolato inizialmente accumulato hanno sul processo di combustione della frazione carboniosa di questa sostanza inquinante in termini di durata del processo stesso e di andamento, nel tempo, della temperatura. Successivamente, seguendo ancora un approccio di tipo fenomenologico, il modello precedentemente richiamato è stato modificato per tener conto degli effetti di una diversa quantità di particolato accumulato nei canali (sia radialmente che longitudinalmente) sull evoluzione del processo di rigenerazione. I risultati di questa attività di ricerca, pubblicati in [32] hanno mostrato sia una più corretta rappresentazione della realtà del fenomeno fisico, sia l'effettiva importante influenza di una non uniforme distribuzione del particolato accumulatosi nel filtro sul processo di rigenerazione. Nel lavoro [31], allo scopo di studiare l'influenza di alcuni parametri geometrici, oltre che funzionali, sulla combustione del soot (particolato carbonioso) nei filtri ceramici, si è messo a punto un modello di calcolo del flusso all'interno dei canali, di tipo fluidodinamico monodimensionale. Per motivi legati al tempo di calcolo - è il caso di sottolineare che il fenomeno fisico seguito ha una durata reale dell'ordine di decine di secondi - anche in questo caso la trappola è stata schematizzata come una sola coppia di canali rispettivamente aperto e chiuso rispetto al flusso dei gas di scarico provenienti dal motore. I risultati di tale analisi, riportati in [31] oltre a mostrare gli effetti dovuti ad un calcolo realistico delle portate di gas in senso radiale e lungo i canali, hanno messo in luce che tale tipologia di modellazione del fenomeno ben si presta anche ad una prima fase di progettazione, basata sulla ricerca delle condizioni ottimali di funzionamento del filtro al variare sia della temperatura di ingresso dei 15

16 gas, sia delle condizioni iniziali termiche e di accumulo del particolato, nonché delle proprietà termofisiche del materiale impiegato per la sua costruzione. Nel lavoro [33] viene presentata una rassegna completa delle caratteristiche costruttive e funzionali delle diverse tipologie di dispositivi di filtrazione dei gas di scarico, con specifico riferimento alle trappole realizzate con supporto ceramico. Nello stesso lavoro vengono anche illustrati in dettaglio i modelli matematici di simulazione del processo di rigenerazione delle trappole ceramiche del tipo "honeycomb" basati su approcci sia fenomenologici che fluidodinamici. Una sintetica ma esauriente esposizione sullo stato dell'arte circa le principali strategie seguite per la riduzione dei consumi e delle emissioni degli autoveicoli equipaggiati con motori a ciclo Diesel è, invece, presentata nella memoria [34]. Nei lavori [41,42,48] oltre ad una rassegna delle diverse tecniche seguite per la riduzione del particolato, mediante l impiego di trappole a rigenerazione termica e di strategie di controllo del sistema di iniezione per favorire la formazione della miscela e, di conseguenza, il processo di combustione (pressione e fasatura del processo di iniezione), viene presentato un innovativo dispositivo di trattenimento del particolato che ne consente il successivo smaltimento con un procedimento meccanico e non termico come per i filtri ceramici tradizionali. In [ ] è stato affrontato, in collaborazione con il Centro Ricerche FIAT, lo studio sperimentale delle emissioni di scarico in relazione soprattutto alla distribuzione dimensionale del particolato, e all integrale di questa (numero totale), al variare delle condizioni operative del motore, attraverso l utilizzo di un motore Diesel Multijet EURO5 per applicazioni per auto private. I risultati ottenuti dimostrano come il DPF sia in generale molto efficiente nei riguardi dell abbattimento del numero totale, mostrando qualche lacuna soprattutto in relazione a classi di particelle il cui diametro caratteristico sia intermedio rispetto alle potenzialità di filtrazione browniana e di intercettazione, caratteristiche del tempo di residenza e della distribuzione dimensionale dei pori del DPF. Tali particelle, di diametro comunque dell ordine di 10 nm, e pur in numero minimo rispetto al totale, sono degne di attenzione in virtù della facilità di inalazione, presentando, dunque, un elevato potenziale di danno. Per i motori ad accensione comandata l attività di ricerca ha avuto quale scopo essenziale lo studio del comportamento dei dispositivi di conversione delle specie inquinanti gassose, al variare delle condizioni di funzionamento del propulsore. A tale fine è stato sviluppato un modello di simulazione completo del sistema costituito dal condotto di scarico e da un convertitore catalitico di tipo ossidante che consente di valutare l'influenza che ciascuna delle variabili di progetto e funzionali esplica sull'efficienza di conversione del dispositivo stesso. I risultati di tale indagine, presentati nella memoria [20], stante l'ottima aderenza del modello di calcolo al sistema fisico considerato, hanno fornito utili indicazioni soprattutto circa la valutazione della posizione di installazione del dispositivo e della regolazione dell'aria secondaria da immettere a monte dello stesso. Successivamente, allo scopo di una più completa caratterizzazione delle condizioni ottimali di funzionamento di questa classe di dispositivi di trattamento dei gas di scarico, si è messo a punto un modello di simulazione tridimensionale del flusso nel condotto e nel tratto di raccordo tra quest'ultimo e la marmitta catalitica. Si è potuto, in tal modo, studiare l'effetto che il tratto divergente di raccordo esercita sulla disuniformità di distribuzione della portata dei gas di scarico all'ingresso del convertitore catalitico. Oltre a tali considerazioni, nei lavori [35 e 36] è anche presentata una soluzione originale di deviatore a superfici coniche concentriche che si è mostrato molto efficace nel conferire al flusso in ingresso caratteristiche di uniformità di distribuzione e, di conseguenza, per quanto detto in precedenza, di garantire uno sfruttamento ottimale delle sostanze catalitiche di impregnazione del supporto. Nei lavori [54 e 63] vengono presentati i risultati di una approfondita indagine sperimentale condotta presso il laboratorio prova motori dell Università di Tor Vergata su convertitori catalitici trivalenti di ultima generazione. In questa indagine, grazie ad un sofisticato apparato di 16

17 misura, si sono rilevati gli andamenti della temperatura all interno dei supporti ceramici di forma cilindrica (i convertitori in questione sono suddivisi in due elementi racchiusi in un unico involucro) in 24 differenti punti disposti lungo l asse ed il raggio, variandone l installazione nel collettore di scarico in modo da valutare anche l effetto dovuto alla distanza dal motore. Si sono, quindi, potuti caratterizzare sia i gradienti termici che in essi si instaurano (in direzione assiale e radiale), sia gli effetti del transitorio di riscaldamento sulle condizioni di light off. Dalle misure effettuate si è potuta definire una mappa completa del funzionamento del catalizzatore, fornendo altresì importanti informazioni circa i carichi termici, fondamentalmente responsabili del processo di deattivazione. In [108] sono stati studiati catalizzatori a substrato metallico, di ultima generazione, le cui elevate prestazioni sono ottenute grazie al disegno dei canali, mediante speciali palette in grado di aumentare il coefficiente di scambio di massa per unità di lunghezza del catalizzatore (design LS, Longitudinal Structure). Gli effetti dei principali parametri progettuali (lunghezza e frequenza delle palette all interno dei canali del catalizzatore) sono studiati anche al variare della densità di canali (CPSI) del catalizzatore, mediante confronto tra dati sperimentali ottenuti in un reattore sperimentale e numerici ottenuti con il codice fluidodinamico 3D FLUENT. I risultati sono stati utilizzati anche per ottenere correlazioni, utili per il progetto, tra il numero di Sherwood, identificativo dell efficienza adimensionale dello scambio di massa per unità di superficie, e la lunghezza adimensionale del canale espressa in termini del numero di Graetz. 3.9 Processo di formazione della miscela aria-combustibile La fase di formazione della carica nei motori ad accensione comandata è stata analizzata per sistemi di alimentazione ad iniezione indiretta e diretta. Nel lavoro [44] è presentato un modello fluidodinamico 2-D in grado di simulare la formazione della carica in un condotto di aspirazione di un motore ad a.c.. L'integrazione delle equazioni di conservazione è stata realizzata mediante una tecnica ai volumi finiti (di tipo A.L.E.). Tale tecnica è stata scelta per consentire, in maniera semplificata, l introduzione di una condizione al contorno di tipo mobile per la simulazione della valvola. La presenza di fenomeni di tipo turbolento è stata tenuta in conto mediante un modello di tipo K-, mentre la presenza del cilindro è stata simulata con un modello fenomenologico. Per quanto riguarda la fase liquida, sono stati implementati algoritmi in grado di valutare le traiettorie delle gocce nonché la formazione, il movimento e l evaporazione del film liquido. Il codice è stato testato mediante confronto con dati sperimentali ottenuti da prove di tipo Hitachi A/F step test su un motore FIRE effettuate presso la Magneti Marelli di Bologna. In tali prove è stato misurato il rapporto ara/combustibile in un cilindro ad ogni ciclo dopo una brusca variazione della quantità di combustibile iniettato. Al fine di completare la taratura del codice, in [51] sono riportati i confronti puntuali numerico/sperimentali con dati, rilevati presso i laboratori della Magneti Marelli France, ottenuti mediante tecniche di rilevamento ottiche dello spray, dei film e del campo di moto. In entrambi i casi il codice ha fornito dei risultati in buon accordo con quelli sperimentali. La formazione della carica in un motore ad iniezione diretta GDI è stata, invece, inizialmente affrontata nel lavoro [56]. In tale memoria è stata analizzata l influenza che differenti tipologie di iniettori hanno sulla formazione della carica. A tal scopo è stata utilizzata una versione modificata del codice fluidodinamico tridimensionale KIVA 3. Le modifiche apportate dagli autori al codice originale hanno interessato le parti del modello relativa all'evoluzione della fase liquida che, nella loro stesura originale, erano state scritte per gli spray di motori Diesel. Successivamente nei lavori [57] e [62] sono state effettuate alcune ottimizzazioni del disegno della camera di combustione e degli iniettori estendendo la simulazione 3-D alla fase di aspirazione. A tal scopo è stata utilizzata una versione sostanzialmente modificata dagli autori del codice KIVA 3V. In questo caso le modifiche 17

18 necessarie hanno condotto ad una riformulazione e successiva stesura di intere parti del codice. In particolare non esistendo strumenti in grado di generare una griglia computazionale completa (cilindro, condotti e valvole) è stato scritto un codice di intefacciamento in grado, a partire da un modello CAD, di generare un'opportuna griglia di calcolo per il codice modificato. Inoltre è stata completamente riscritta la parte di codice relativa alla movimentazione della griglia durante la fase di aspirazione e compressione, rendendo quindi il modello di simulazione anche utilizzabile per geometrie di camere di combustione (del tipo GDI) e condotti per applicazioni di progettazione di motori innovativi da parte dell'industria europea del settore. Per la simulazione della fase di combustione è stato sviluppato ed implementato un modello di combustione basato su la teoria frattale. Si sono, infine, rese necessarie ulteriori modifiche del modello di scambio termico gas/parete e del modello di iniezione. La camera di combustione ottimizzata con il codice sopra descritto, realizzata e verificata sperimentalmente in ambito industriale, ha fornito prestazioni molto interessanti sia da un punto di evoluzione del processo di combustione in condizioni di carica sia omogenea che stratificata, sia da un punto di vista delle concentrazioni di emissioni inquinanti di incombusti. Infine in [65], utilizzando un nuovo modello di combustione basato sulla teoria dei tempi caratteristici il modello di simulazione messo a punto è stato utilizzato per l ottimizzazione di un motore di 1.2 litri di cilindrata sia in termini di forma della testa del pistone che di strategia di anticipo, impiegando per l accensione della miscela un modello in grado di simulare una candela multi scintilla particolarmente appropriata per applicazioni ai motori GDI Simulazione integrata del motore Lo sviluppo di differenti sottomodelli, rispettivamente relativi alla simulazione del flusso nei condotti (approccio 1-D), della formazione della miscela (quasi 2-D), del processo di combustione (fenomenologico multi-zone), della formazione delle emissioni inquinanti (ossidi di azoto e idrocarburi incombusti) ha consentito la formulazione di un modello globale (Simulazione Integrata del Motore - SIM). Tale modello, grazie ai contenuti tempi di calcolo richiesti, è, infatti, in grado di simulare l'intero motore, allo scopo sia di valutare la mutua influenza di vari parametri costruttivi e funzionali nei confronti di assegnate funzioni obiettivo (inquinanti, prestazioni, etc.), sia di poter studiare processi di maggior durata (transitori di funzionamento del motore) non valutabili con approcci gerarchicamente superiori (2-D o 3-D) quali quelli sviluppati per analisi più specifiche e dettagliate (si veda, in proposito, l attività svolta nella formulazione di modelli di simulazione del processo di combustione). L'impiego del codice ha consentito inoltre di effettuare calcoli di ottimizzazione di alcuni componenti e/o condizioni funzionali del motore (fasatura valvole, formazione idrocarburi incombusti, etc.). Nei lavori [60 e 61] viene presentato il modello nel suo complesso e nei singoli sotto-modelli in cui è strutturato, mostrando il confronto dei risultati del calcolo con i dati sperimentali rilevati presso il laboratorio prova motori dell università di Tor Vergata sia in termini globali che dei singoli sotto-modelli sviluppati. Nel lavoro [67] viene presentato un modello originale per tener conto, in una simulazione 1-D del flusso nei condotti, degli effetti dovuti alla loro curvatura sulla dinamica dei film di combustibile che si formano sulla parete interna dei condotti stessi e del trasporto delle goccioline che costituiscono lo spray all interno del cilindro. Nel lavoro [70] il modello di Simulazione Integrata del motore (SIM) è stato applicato per la progettazione ottimizzata del disegno dell albero a camme di un motore IVECO alimentato a metano e derivato da una configurazione per l alimentazione a gasolio. I risultati del modello, inizialmente confrontati con i dati sperimentali rilevati nella versione originale dell albero a camme, hanno consentito di giungere ad una soluzione ottimale della fasatura valvole nei confronti sia delle prestazioni 18

19 del motore (coppia massima) che delle emissioni di idrocarburi incombusti causate, in questo caso, dal flusso di miscela nei condotti di scarico nel periodo di incrocio. In [89] e [94] il modello motore 1D è stato interfacciato con il codice di simulazione 3D per motori, basato su modifiche del KIVA-3V, con l obiettivo di fornire le condizioni al contorno per la corretta rappresentazione del fenomeno del ricambio della carica in motori ad accensione comandata. In particolare, in [94] tale codice è stato applicato allo studio di un airbox per applicazioni nautiche sportive (motoscafi off-shore), con il fine di massimizzare il coefficiente di riempimento del motore Impiego di combustibili alternativi Si è svolto in tale ambito uno studio sugli effetti che combustibili non tradizionalmente impiegati, quali il metano ed il biodiesel (metilestere derivato da oli vegetali) hanno rispettivamente sulle prestazioni sia di motori di elevata cilindrata derivati da motori a ciclo Diesel adibiti all'autotrazione pesante sia di motori di piccola cilindrata a ciclo Diesel per l'autotrazione leggera. La tematica di ricerca si articola, quindi, in due sottotemi, nell'ambito dei quali si sono particolarmente studiati, anche con l'ausilio di modelli di simulazione specificamente sviluppati, gli effetti sulle emissioni, esercitati da queste due tipologie di combustibili. Nel lavoro [53], si sono studiati gli effetti dell'alimentazione a metano su un motore per autotrazione pesante, derivato dalla versione ad alimentazione a gasolio, sulle emissioni di idrocarburi incombusti. Come già accennato in precedenza nella tematica "Processo di formazione delle emissioni inquinanti all'interno dei m.c.i", si è svolta un'indagine sperimentale volta a confermare i risultati di un modello di simulazione del processo di formazione degli HC incombusti, per valutare l'influenza dei volumi nocivi ("crevices") presenti in camera di combustione sul processo stesso. La verifica del modello e la successiva analisi di influenza dell'entità di tali volumi nocivi sul fenomeno hanno suggerito, in definitiva la modifica del posizionamento degli anelli di tenuta pistone-cilindro. Nei lavoro [68,73], viene presentata un'attività sperimentale ed un modello di simulazione del fenomeno di dispersione ciclica, per come esso si manifesta in un motore alimentato con combustibili gassosi. Le attività sul gas naturale sono quindi state portate quindi avanti da un lato mediante la collaborazione con la University of British Columbia di Vancouver, per lo studio numerico-sperimentale di motori alimentati a carica parzialmente stratificata. In tale contesto sono stati utilizzati codici di calcolo 3D modificati per quanto riguarda i sottomodelli di accensione e di combustione, secondo quanto esposto precedentemente. Parallelamente si è avviato un filone di ricerca sui motori Dual-Fuel (Gasolio-Metano), in riferimento ai lavori [92,95,96], in collaborazione con l Istituto Motori CNR di Napoli (Ing. M. Gambino), atto a valutare il potenziale di motori inizialmente alimentati a gasolio e riconvertiti per l alimentazione con gas naturale mediante modifica. I risultati, sviluppati attraverso approccio misto numerico-sperimentale, sono stati soddisfacenti soprattutto in termini di riduzione delle emissioni di particolato. Nei lavori [49,52,64] vengono estesamente presentati i risultati di un'indagine sperimentale condotta su due tipologie di motori a ciclo Diesel alimentati con metilesteri di soia (biofuel RME) sovralimentati. In particolare si sono analizzate le prestazioni e le emissioni inquinanti di particolato e di ossidi di azoto, al variare sia del carico che della composizione del combustibile (gasolio puro, RME puro, miscele in percentuali variabili di RME e gasolio). I risultati delle prove effettuate hanno mostrato come i motori in questione non subiscano variazioni apprezzabili in termini di prestazioni, confrontando i dati a parità del rapporto di dosatura relativo. Per le emissioni si è svolta una particolare indagine soprattutto sul particolato, rilevandone, con tecniche di microscopia elettronica SEM, microanalisi assistita e termogravimetria, sia le dimensioni medie (a livello microscopico) sia la composizione in termini di componenti elementari e di frazione organica solubile ed insolubile. Nei lavori 19

20 [64,71,75], in particolare, si sono analizzate su un motore ad iniezione diretta di recente produzione diverse miscele RME-gasolio, rilevando come, all'aumentare della presenza di RME, diminuiscano le emissioni di particolato, all aumentare di quelle di NOx. Tale comportamento è influenzato, anche in questo caso, dalla percentuale di frazione organica solubile ed insolubile che costituiscono il particolato. Nei lavori [82,87,88] si è indagato sull analisi di biocombustibili da Brassica Carinata, le cui caratteristiche risultano particolarmente vantaggiose per l utilizzo energetico. Gli studi sono corredati di aspetti agronomici e di caratterizzazione del combustibile a seguito dell estrazione e transesterificazione, nonché di prove sperimentali su banco, svolte in collaborazione con l Istituto Motori CNR di Napoli (Ing. M.V. Prati), confermando prestazioni in termini di emissioni ed efficienza del tutto simili a biodiesel di origine commerciale. Prestazioni ed emissioni di un motore Common Rail alimentato con B100 sono state riportate e commentate in [90,93,97,103], in riferimento a biodiesel di origine commerciale. In questi lavori si è sottolineata l importanza della ricalibrazione della centralina, in modo da poter ottenere sostanzialmente pari prestazioni rispetto alla calibrazione baseline, con un ovvio aggravio dei consumi di combustibile, ed una riduzione di particolato e NOx. Nei due recenti lavori [113,114,117] si è infine indagato sull alimentazione con miscele B30 provenienti da oli esausti (Waste Cooking Oil, WCO), con particolare riguardo all influenza del processo di distillazione del combustibile prodotto da WCO, prestando attenzione al ruolo del DPF al variare dell alimentazione. I risultati mostrano come il DPF; grazie alle minori emissioni di PM, possa lavorare in condizioni migliori se alimentato con miscela B30, anche in virtù del rapporto PM/NOx più favorevole, e quindi più efficiente dal punto di vista dell efficacia del processo di rigenerazione continua a mezzo dell NO 2. I risultati sono stati ottenuti al banco prova motori dell Università di Roma Tor Vergata, opportunamente integrato con un codice di calcolo in grado di rappresentare il comportamento del DPF a lungo termine per assegnato profilo di input di portata massica, O2, temperatura, PM e NOx Studio sperimentale di veicoli ibridi plug-in Questo filone di ricerca è stato avviato di recente, in relazione a un progetto regionale di infomobilità per la realizzazione di veicoli ibridi sperimentali il cui comportamento sia ottimizzato in base alla missione da compiere (mission-oriented). Nei due lavori [115 e 116], in corso di stampa, si è descritta la logica di controllo mission-oriented di un veicolo ibrido plugin realizzato presso i laboratori dell Università di Roma Tor Vergata. Il veicolo è dotato di batterie di elevata capacità, di tecnologia Li-Po, ed è dotato di centralina di supervisione dei comparti elettrico e termico interamente gestibile dall utente. I risultati, ottenuti sia sperimentalmente che attraverso un modello del veicolo validato mediante confronto diretto sperimentale con quanto ottenuto con il veicolo, hanno dimostrato come sia possibile prescrivere un certo target di consumo batteria, in modo sia da avere il massimo potenziale di sfruttamento della tecnologia ibrida plugin, sia di consentire al veicolo, qualora dovesse transitare in una zona a traffico limitato, di poterla interamente percorrere in modalità full electric. Il modello del veicolo, una volta validato, è stato utilizzato per verificare la robustezza della logica di controllo mission-oriented al variare delle caratteristiche della missione, ottenendo risultati pienamente soddisfacenti. 20