L attività di ricerca nel settore motori a combustione interna presso l Università della Calabria

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1 Framework Giornata di studio Giorgio Minelli sui Motori a Combustione Interna Le prospettive future dei motori a combustion interna L attività di ricerca nel settore motori a combustione interna presso l Università della Calabria sergio.bova@unical.it

2 Framework Gruppo di ricerca sui mci Sergio Bova, Prof. Ordinario Angelo Algieri, Prof. Associato Pietropaolo Morrone, RTD B

3 Framework Gruppo di ricerca sui mci Teresa Castiglione, RTD A Diego Perrone, Assegnista di Ricerca Francesco Rovense, dottorando

4 Framework Linee di ricerca Applicazioni del Model Predictive Control al Sistema di Raffreddamento Analisi numerico-sperimentali dei sistemi di aspirazione e scarico

5 Framework Applicazioni del Model Predictive Control al Sistema di Raffreddamento

6 Framework Obiettivo Sviluppo di un sistema di raffreddamento con pompa elettrica e basse portate di refrigerante (regime di ebollizione nucleata)

7 Framework Recenti risultati 1. Riduzione consumi in fase di warm-up; 2. Portate di refrigerante ridotta in condizioni fully-warmed; 3. Eliminazione rischio di after-boiling;

8 Metodo: numerico-sperimentale Modello a parametri concentrati; 2 capacità termiche(cw, Cc); 2 variabili di stato: Tw, Tc Metrica della presenza di ebollizione nucleata

9 On-line Controllore Paper

10 On-line Controllore Specific objective of the work Paper

11 On-line Controllore Specific objective of the work Tw, Tc Paper

12 On-line Controllore Specific objective of the work Calcolate dal modello prelevate dalla look-up table

13 On-line Controllore Specific objective of the work Calcolate dal modello prelevate dalla look-up table Come sono ottenute le K 1, K 2, T w_eq, T c_eq?

14 Off-line Controllore Specific objective of the work Linearizzazione modello Definizione dei vincoli sulle variabili di ingresso e di uscita (in particolare sull NB_Index per definire il livello di ebollizione ritenuto accettabile) Risoluzione del problema di ottimizzazione

15 Off-line Controllore Specific objective of the work

16 Off-line Controllore

17 Framework Risultati 1. Riduzione consumi in fase di warm-up; a) Engine warm-up Condizioni operative: 2 bar bmep x 2000rpm, cold start Pompa meccanica: 2000 dm 3 /h Controllore + pompa elettrica: 250 dm 3 /h

18 Framework Risultati 1. Riduzione consumi in fase di warm-up; a) Engine warm-up fc Target temp. lubrificante 80 C t mech-pump =480s t controller =450s fc ~10% Funzionamento per 300 s da T=30 C Paper Controller: Cons orario - 2% Cons specifico - 7%

19 Framework Risultati 2. Portate di refrigerante ridotta in condizioni fully-warmed; Controller: consumo specifico 3%

20 Framework Risultati 3. Eliminazione rischio di after-boiling

21 Framework Risultati 3. Eliminazione rischio di after-boiling

22 Specific objective of the work Analisi numerico-sperimentali dei sistemi di aspirazione e scarico SAE INTERNATIONAL

23 Obiettivi Caratterizzazione sistemi aspirazione e scarico Valutazione influenza dei vari componenti Individuazione possibili condizioni funzionamento alternative Più accurato controllo dei flussi

24 Metodologia Analisi Numeriche 0D, 1D e 3D Indagini Sperimentali Duplice approccio: caratterizzazione globale e locale

25 Apparato Sperimentale Banco di flussaggio Sistema LDA

26 Metodologia Analisi Globale: Coefficienti d efflusso Analisi Locale: Rilievi Velocità Efficienza fluidodinamica componenti sistema di aspirazione Campo di moto in camera di combustione

27 Metodologia Analisi Globale: Portate e Perdite di carico Analisi Locale: Rilievi Velocità Efficienza fluidodinamica componenti sistema aftertreatment Campo di moto a valle mezzo poroso

28 Sistema di aspirazione o Motore ad accensione comandata o Numero di cilindri: 2 o Cilindrata: ~ 1000 cm 3 o Valvole di aspirazione per cilindro: 2 Carico Parziale Elevati consumi specifici Strategie alternative Deattivazione valvola Apertura asimmetrica

29 Strategie alternative N = 1500 rpm Apertura asimmetrica valvole aspirazione: Possibile riduzione consumi Controllo della fase di aspirazione Creazione di strutture macroscopiche desiderate

30 Sistemi di post-trattamento Specific objective of the work Basse temperature gas scarico: combustibile supplementare Effetto negativo sull efficienza energetica del propulsore Sviluppo di sistemi aftertreatment più efficienti SAE INTERNATIONAL

31 Sistemi di post-trattamento Specific objective of the work Basse temperature gas scarico: combustibile supplementare Effetto negativo sull efficienza energetica del propulsore Sviluppo di sistemi aftertreatment più efficienti Sistemi attivi per ottenere un maggiore controllo sui livelli termici SAE INTERNATIONAL

32 Sistemi di post-trattamento Specific objective of the work Ingresso gas di scarico Sistema passivo Valvola Uscita gas di scarico Sistema attivo Flusso diretto SAE INTERNATIONAL

33 Sistemi di post-trattamento Specific objective of the work Ingresso gas di scarico Sistema passivo Valvola Uscita gas di scarico Sistema attivo Inversione flusso SAE INTERNATIONAL

34 Applicazione al caso dei convertitori ossidanti: Modello numerico Model assumptions Working fluid as ideal mixture; One-dimensional transient flow; Constant mass flow rate; Dynamic single Channel 1D Model Negligible conductive and radiative exchange; Adiabatic systems towards the surroundings 2 chemical species: CH 4 and CO Monolith Control volume Chemical reactions Reference equations CO O 2 CO 2 Gas: d dx I T x T v x + 4 D H h c p ( T T ) = 0 s CH O2 CO2 + 2H 2O Solid: d dx k W W T S x h ( T T ) ( H ) ( R ) s 2 i= 1 i R i i S = W C W P, W T S t SAE INTERNATIONAL

35 Sistemi di post-trattamento Specific objective of the work Profili temperatura Fase solida Raffreddamento: T exh = 300 C T sol = 600 C Sistema passivo SAE INTERNATIONAL

36 Sistemi di post-trattamento Specific objective of the work Profili temperatura Fase solida Raffreddamento: T exh = 300 C T sol = 600 C Sistema attivo SAE INTERNATIONAL

37 Temperature medie Specific objective of the work Raffreddamento T exh = 300 C; T sol = 600 C t ciclo = 20 s t ciclo = 20 s Riscaldamento T exh = 600 C; T sol = 300 C Riscaldamento più rapido sistema passivo T mean ( t) = L 0 T ( x,t) L dx Maggiore inerzia termica controllo attivo SAE INTERNATIONAL

38 Motore diesel Emissioni: Conversioni Specific objective of the work T exh = 300 C; T sol = 600 C Conversioni Sistema Passivo HC = 0 dopo 100s CO = 25% dopo 100s Conversioni Sistema Attivo HC 50% dopo 100s t ciclo = 20 s CO 98% dopo 100s Efficienze di conversione maggiori per controllo attivo SAE INTERNATIONAL

39 Confronto Strategie Specific objective of the work Controllo Passivo vs Controllo Attivo Controllo Misto (Attivo e passivo) Lean burn engine Numero di cilindri: 6 Cilindrata: ~ 7700 cm 3 Potenza max: ~ 162 kw SAE INTERNATIONAL Cicli standard di prova (ESC)

40 Confronto Strategie Controllo Misto vs Attivo t ciclo = 20 s Incremento temperatura media: Incremento conversioni: T solido = +5.2% DC HC = +39% DC C0 = +16% SAE INTERNATIONAL

41 Framework Giornata di studio Giorgio Minelli sui Motori a Combustione Interna Le prospettive future dei motori a combustion interna L attività di ricerca nel settore motori a combustione interna presso l Università della Calabria sergio.bova@unical.it