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PORTALE DELLA DIDATTICA

Engine emissions control

03OFOLO

A.A. 2021/22

Course Language

Inglese

Course degree

Master of science-level of the Bologna process in Automotive Engineering (Ingegneria Dell'Autoveicolo) - Torino

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01GKMLO 01UTELO

Course structure
Teaching Hours
Lezioni 64
Esercitazioni in aula 4
Esercitazioni in laboratorio 12
Teachers
Teacher Status SSD h.Les h.Ex h.Lab h.Tut Years teaching
Millo Federico Professore Ordinario ING-IND/08 64 8 12 0 3
Teaching assistant
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Context
SSD CFU Activities Area context
ING-IND/08 8 B - Caratterizzanti Ingegneria meccanica
2021/22
Insegnamento dell’orientamento "Propulsione dei veicoli terrestri". Si propone di fornire le conoscenze relative alle caratteristiche di funzionamento e di rendimento dei motori termici per trazione e le nozioni di base per la loro progettazione dal punto di vista termofluidodinamico.
The module aims at providing students with applied knowledge regarding the design of the internal combustion engine and of its emissions control system, with a focus on thermo-fluid dynamic and combustion phenomena, as well as on criteria pollutant formation and control mechanisms.
Conoscenza approfondita delle caratteristiche di funzionamento e di rendimento dei motori termici per trazione. Conoscenza delle architetture dei motori e dei problemi dinamici connessi. Conoscenza dei principali apparati di alimentazione dell’aria e del combustibile. Conoscenza delle problematiche della combustione nei motori e della loro influenza sul rendimento e sulle emissioni di inquinanti. Capacità di definire le specifiche di progetto dei sistemi di propulsione tenendo conto dei vincoli tecnologici, economici ed ambientali. Capacità definire le architetture dei sistemi di propulsione sulla base delle specifiche di progetto. Capacità di progettare e sviluppare i motori dal punto di vista termofluidodinamico.
Deep knowledge of the main features of internal combustion engines for ground vehicles propulsion, as far as efficiency, performance and pollutant emissions are concerned. Deep knowledge of issues related to combustion processes and related influence on the engine efficiency and emissions of pollutants. Capability of defining the design specifications for propulsion systems keeping into account the technological, economic and environmental constraints. Capability of defining the architectures of propulsion and pollutant control systems on the basis of engineering specifications. Capability to develop and design internal combustion engines, including their emission control system.
Sono propedeutiche le nozioni di termodinamica, la conoscenza dell’architettura e delle caratteristiche di funzionamento delle macchine a fluido e le nozioni di base relative alla cinematica ed alla dinamica dei principali manovellismi ed organi di trasmissione del moto.
Students are supposed to have a preliminary solid background on internal combustion engines fundamentals from previous courses of "Propulsion systems and their applications to vehicles" and of "Energy management in hybrid and electric vehicles"
GENERALITÀ, CLASSIFICAZIONE, FASI, RENDIMENTI, PRESTAZIONI DEI MOTORI Richiami sulla classificazione dei motori alternativi in base alle caratteristiche di funzionamento, alle caratteristiche cinematiche, in base ai tempi. Richiami sul rendimento limite, sul rendimento termodinamico interno e sul rendimento organico e sulla pressione media effettiva al variare della dosatura e della velocità angolare. ALIMENTAZIONE DELL'ARIA Coefficiente di riempimento nei motori a 4T: generalità, studio particolareggiato, analisi dell'apparato di distribuzione. Sovralimentazione con compressore trascinato meccanicamente od azionato da turbina a gas di scarico. ALIMENTAZIONE DEL COMBUSTIBILE Alimentazione del combustibile nei motori ad accensione comandata - Requisiti generali, problemi di ripresa e di avviamento a freddo. - Apparati di iniezione elettronica. Alimentazione del combustibile nei motori Diesel: - Requisiti in termini di polverizzazione e di penetrazione del getto. - Sistemi di iniezione meccanica (cenni) e sistemi di iniezione tipo "common rail". EQUILIBRAMENTO DEI MOTORI ALTERNATIVI Forze e momenti agenti sul motore alternativo. Criteri per la scelta dello sfasamento delle manovelle e per la loro disposizione longitudinale. Equilibramento di forze o momenti residui con masse su alberi supplementari. Motori a V, motori "boxer" e motori stellari. Ordine di accensione COMBUSTIONE Generalità: velocità di reazione e temperatura di accensione. Macchine a compressione rapida e tempi di induzione. Combustibili per motori ad accensione comandata e ad accensione per compressione. COMBUSTIONE NEI MOTORI AD ACCENSIONE COMANDATA Parametri che influenzano la velocità di propagazione della fiamma. Anomalie di combustione: preaccensione, autoaccensione, misfiring, detonazione. Metodi di misura standardizzati e non convenzionali dell'intensità di detonazione. Numero di ottano. COMBUSTIONE NEI MOTORI AD ACCENSIONE PER COMPRESSIONE Ritardo all'accensione, andamento delle pressioni, delle masse iniettate e bruciate, rumore di combustione Numero di cetano. Fumosità, limiti di dosatura, problemi di polverizzazione, diffusione, turbolenza, penetrazione dello psray di combustibile. EMISSIONI DI INQUINANTI Effetti nocivi, meccanismi di formazione, influenza dei parametri geometrico-costruttivi e dei parametri di funzionamento. Metodi di abbattimento degli inquinanti: catalizzatori a tre vie, trappole per il particolato, catalizzatori ossidanti e catalizzatori riducenti SCR ed LNT. Legislazione vigente e cicli di prova. MOTORIZZAZIONI IBRIDE Classificazione: architetture, livelli di ibridizzazione. Sistemi di energy management Cenni sulla legislazione vigente.
PART A - HIGHLY-EFFICIENT INTERNAL COMBUSTION ENGINES (ICEs) - Recall on ICE energy balance - Charge motion within intake and combustion systems - Supercharging and turbocharging: methods of power boosting, turbomatching, charge air cooling system. Boost control strategies. - Fuel injection and combustion processes in spark ignition (SI) engines - Fuel injection and combustion processes in compression ignition (CI) engines - Introduction to computational fluid dynamics: conservation of mass and momentum, Reynolds averaged Navier-Stokes equations, turbulence modelling. - Practical combustion system design for SI and CI engines - Advanced combustion concepts: LTC, PCCI, RCCI, TJI - Diagnostics and modelling of combustion in ICEs PART B: EMISSION CONTROL SYSTEMS - Pollutant emissions formation mechanisms and in-cylinder control - Aftertreatment technologies: Three Ways Catalysts, Gasoline Particulate Filters, Diesel Oxidation Catalysts, Diesel Particulate Filters, Lean NOx traps and Selective Catalytic reduction; combined systems (SCR on Filter and 4-ways catalysts) - Pollutant emission measurements: raw and diluted emissions, particulate matter and particle number emissions measurements - Alternative fuels for ICEs: review of conventional and renewable fuels for ICEs. Combustion systems and after-treatment adaptation to alternative fuels. PART C: ENGINE CONTROL SYSTEM - Objectives and overview of engine management systems. Analog and digital sensors for automotive applications. Actuators for automotive applications Impact on engine control management on engine emissions. Diagnosis and recovery of engine management. Engine states and engine mode machines. Hints to self-adaptive strategies. - Engine control system: engine control function, modes and diagnostics. - Model-driven design of control systems for automotive applications: overview of model-driven techniques and supporting instruments; validation techniques and rapid prototyping: model-in-the-loop, software-in-the-loop, processor-in-the-loop, hardware-in-the-loop.
1^ ESERCITAZIONE Particolarità costruttive di un motore alternativo a 4T ad accensione comandata per trazione automobilistica. 2^ ESERCITAZIONE Calcolo consumi ed emissioni di autoveicoli su cicli guida NEDC e WLTP 3^ ESERCITAZIONE Dimensionamento di massima del volano di un motore alternativo a 4T ad accensione comandata per trazione automobilistica. Calcolo della pmi, delle pressioni efficaci e tangenziali. Calcolo del lavoro motore e del lavoro resistente (motore monocilindrico e pluricilindrico). Calcolo del volano e della velocità angolare (motore monocilindrico e pluricilindrico). 4^ ESERCITAZIONE Analisi del ciclo indicato di un motore 4T ad accensione comandata. Analisi della combustione e determinazione della legge di rilascio del calore. 5^ ESERCITAZIONE Misure di laboratorio. - Apparecchiature per il rilievo della potenza: cenni su freni dinamometrici tarati ed a reazione, torsiometri ed estensimetri; misure di velocità angolare. - Curve caratteristiche: caratteristica meccanica, caratteristica di regolazione, cubica di utilizzazione. - Correzione di potenza per motori ad accensione comandata e per motori Diesel. - Rilievo e calcolo delle emissioni inquinanti 1^ LABORATORIO (nel caso in cui le condizioni epidemiologiche non consentano l'esercitazione in presenza, potrà essere svolto anche in VIRTUALE , tramite esperienza video) Smontaggio di un motore alternativo a 4T. 2^ LABORATORIO (nel caso in cui le condizioni epidemiologiche non consentano l'esercitazione in presenza, potrà essere svolto anche in VIRTUALE , tramite esperienza video, e, se possibile, tramite simulazione sw) Rilievi sperimentali su motore ad accensione comandata 3^ LABORATORIO (nel caso in cui le condizioni epidemiologiche non consentano l'esercitazione in presenza, potrà essere svolto anche in VIRTUALE , tramite esperienza video, e, se possibile, tramite simulazione sw) Rilievi sperimentali su motore diesel
The course structure is as follows: circa 60 hours of lessons, 20 hours of practical trainings Trainings / Laboratories 1^ TRAINING Fuel consumption and emissions calculations of passenger cars over the NEDC and the WLTP driving cycles. 2^ TRAINING Measurement and calculation of specific emissions (raw and diluted) 3-4-5^ TRAININGS Engine simulation with commercially available software (GT-Power): (3) Engine modelling fundamentals, application examples: EGR, VVA and turbo control (4) Virtual engine calibration for SI engines (5) Virtual engine calibration for CI engines LABORATORY (live experience, if possible; otherwise virtual experience through recorded video, and, if possible, through a sw simulation of the test) Experimental measurements on a CI engine.
È consigliabile frequentare lezioni ed esercitazioni, servirsi degli appunti per la preparazione dell'esame, dal momento che non esiste un unico testo che tratti tutti gli argomenti dell'insegnamento in modo simile a quello adottato. Testi per approfondire singoli argomenti, ove ciò sia necessario nella futura attività professionale, sono i seguenti: • G. Ferrari: “Motori a combustione interna”, Ed. Esculapio, 2016, ISBN: 9788874889716. • J. B. Heywood: “International combustion engine fundamentals”, McGraw-Hill, 2nd Ed. 2018, ISBN-10: 1260116107. • “Automotive Handbook”, R. Bosch Ed., 7° Ed., 2007 – ISBN 978-0-76801953-7 Il materiale didattico fornito durante il corso sarà reso disponibile in formato elettronico tramite il portale della didattica.
Attending both theoretical and practical lectures is warmly recommended, since there is not a single text for all the topics of the subject. For more details on specific topics, the following books can provide a comprehensive reference: - Heywood, J. B. : “International combustion engine fundamentals”, McGraw-Hill, 2nd Ed. 2018, ISBN-10: 1260116107. - “Automotive Handbook”, R. Bosch Ed., 7° Ed., 2007 – ISBN 978-0-76801953-7. - Kasab, J.J., Strzelec, A. : "Automotive Emissions Regulations and Exhaust Aftertreatment Systems", SAE Int. Ed,, 2020
Modalità di esame: Prova scritta (in aula);
Exam: Written test;
L’esame è svolto esclusivamente in forma scritta e consta di: - quattro domande a risposta aperta, riguardanti sia le lezioni sia le esercitazioni numeriche e di laboratorio svolte, - un esercizio di calcolo volto a verificare la padronanza dello studente per quanto riguarda la determinazione dei principali parametri operativi e di progetto dei motori. La durata è di due ore. Non è consentito l’utilizzo di alcun tipo di materiale didattico di supporto (libri, appunti, ecc.). La correzione viene effettuata individualmente, di norma immediatamente dopo il termine dell’esame. Un esempio di compito scritto viene distribuito durante il semestre tramite il portale della didattica, in modo da consentire agli studenti di valutare la propria preparazione. Sebbene le relazioni relative alle esercitazioni di calcolo assegnate durante il semestre non concorrano alla determinazione del voto finale, lo svolgimento e la consegna delle relazioni assegnate durante il semestre e’ condizione necessaria per l’ammissione alla prova scritta. L'esame si propone di verificare che lo studente abbia acquisito una sufficiente padronanza degli argomenti trattati nel corso, e sia in grado di analizzare criticamente, anche in termini quantitativi, il funzionamento dei motori a combustione interna dal punto di vista termofluidodinamico.
Gli studenti e le studentesse con disabilità o con Disturbi Specifici di Apprendimento (DSA), oltre alla segnalazione tramite procedura informatizzata, sono invitati a comunicare anche direttamente al/la docente titolare dell'insegnamento, con un preavviso non inferiore ad una settimana dall'avvio della sessione d'esame, gli strumenti compensativi concordati con l'Unità Special Needs, al fine di permettere al/la docente la declinazione più idonea in riferimento alla specifica tipologia di esame.
Exam: Written test;
The final exam is only in written form and it is made of 4 questions (open answers) and 1 numerical problem, for a total duration of 2 hours. The use of books, notes or any other kind of support material is not allowed. A sample of a typical exam test will be distributed through the Web before the end of the semester, so to allow students to perform a self-evaluation test before the final exam. Reports assigned during the semester must be delivered to the lecturer before the written exam, mandatorily: although the reports will not be evaluated for the final score, students are requested to deliver their reports to be admitted to the final written exam. The aim of the exam is to check that the student possesses an adequate knowledge of internal combustion engines, including engine emissions control systems, also on a quantitative basis, and is capable to select the most suitable acrhitecture/technology for a given application.
In addition to the message sent by the online system, students with disabilities or Specific Learning Disorders (SLD) are invited to directly inform the professor in charge of the course about the special arrangements for the exam that have been agreed with the Special Needs Unit. The professor has to be informed at least one week before the beginning of the examination session in order to provide students with the most suitable arrangements for each specific type of exam.
Modalità di esame: Prova orale obbligatoria; Elaborato scritto individuale; Elaborato scritto prodotto in gruppo; Prova scritta tramite PC con l'utilizzo della piattaforma di ateneo;
L'esame si propone di verificare che lo studente abbia acquisito una sufficiente padronanza degli argomenti trattati nel corso, e sia in grado di analizzare criticamente, anche in termini quantitativi, il funzionamento dei motori a combustione interna dal punto di vista termofluidodinamico. L’esame consite in una prova scritta (peso circa 1/3 sulla valutazione finale) ed in una prova orale (peso circa 2/3 sulla valutazione finale), entrambe obbligatorie. La prova scritta, della durata di 60 minuti, consiste in circa 15 domande a risposta aperta o chiusa tramite PC con l'utilizzo della piattaforma di ateneo Exam integrata con strumenti di proctoring (Respondus), e nella soluzione di semplici esercizi numerici, volti a valutare la capacità dello studente di valutare, anche in termini quantitativi, il funzionamento dei motori a combustione interna dal punto di vista termofluidodinamico. Non è consentito l’utilizzo di alcun tipo di materiale didattico di supporto (libri, appunti, ecc.). La prova orale consiste in 2-3 domande, e nella discussione degli elaborati relativi alle esercitazioni 2, 3 e 4 ed ai laboratori 2 e 3 per una durata totale di circa un'ora. Un esempio di esame scritto viene distribuito durante il semestre tramite il portale della didattica, in modo da consentire agli studenti di valutare la propria preparazione. Sebbene le relazioni relative alle esercitazioni di calcolo assegnate durante il semestre non concorrano alla determinazione del voto finale, lo svolgimento e la consegna delle relazioni assegnate durante il semestre e’ condizione necessaria per l’ammissione alla prova scritta.
Exam: Compulsory oral exam; Individual essay; Group essay; Computer-based written test using the PoliTo platform;
The aim of the exam is to check that the student possesses an adequate knowledge of internal combustion engines, including engine emissions control systems, also on a quantitative basis, and is capable to select the most suitable acrhitecture/technology for a given application. The exam consints of a written test (1/3 of final grade) and of an oral interview (2/3 of final grade), both mandatory. The written test is computer-based, with multiple-choice questions using the Exam platform and proctoring tools (Respondus) and simple numerical exercises, similar to those shown during the practice lectures. Use of any written material such as notes, textbooks or equivalent materials is not allowed. The oral interview consists of 2 questions, and in the dicussion of the reports, with a total duration of about 1 hour. A sample of a typical exam test will be distributed through the Web before the end of the semester, so to allow students to perform a self-evaluation test before the final exam. Reports assigned during the semester must be delivered to the lecturer before the written exam, mandatorily: although the reports will not be evaluated for the final score, students are requested to deliver their reports to be admitted to the final written exam.
Modalità di esame: Prova scritta (in aula); Prova orale obbligatoria; Prova scritta tramite PC con l'utilizzo della piattaforma di ateneo;
L'esame in modalità mista non differisce dall'esame in modalità remota, se non per la possibilità che la prova orale venga effettuata in presenza.
Exam: Written test; Compulsory oral exam; Computer-based written test using the PoliTo platform;
The blended exam does not differ from the online exam, except for the oral part, which could be onsite.
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