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Engine emissions control
03OFOLO, 03OFOWM
A.A. 2025/26
Course Language
Inglese
Degree programme(s)
Master of science-level of the Bologna process in Automotive Engineering (Ingegneria Dell'Autoveicolo) - Torino
Borrow
01GKMLO 01UTELO
Course structure
| Teaching | Hours |
|---|---|
| Lezioni | 64 |
| Esercitazioni in aula | 12 |
| Esercitazioni in laboratorio | 4 |
Lecturers
| Teacher | Status | SSD | h.Les | h.Ex | h.Lab | h.Tut | Years teaching |
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| Millo Federico | Professore Ordinario | IIND-06/A | 64 | 0 | 0 | 0 | 6 |
Co-lectures
Context
| SSD | CFU | Activities | Area context | ING-IND/08 | 8 | B - Caratterizzanti | Ingegneria meccanica |
|---|
2025/26
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 Engine Emissions Control course provides advanced and application-oriented knowledge on internal combustion engine (ICE) design and emissions control strategies. It focuses on the physical and chemical mechanisms of pollutant formation and the engineering solutions available to mitigate their impact, including both in-cylinder measures and exhaust aftertreatment technologies.
In the current European regulatory context — which foresees a gradual ban on new ICE vehicles by 2035 — the study of engine emissions might seem of declining relevance. However, internal combustion engines are still widely used and will remain critical in many applications for years to come. These include heavy-duty vehicles, non-road mobile machinery and marine sectors, and the vast existing vehicle fleet that will continue to require maintenance, retrofitting, and emissions monitoring well beyond 2035. Moreover, global markets outside Europe are following different regulatory paths and timelines, preserving a strong demand for ICE-related competencies.
Understanding emissions formation and control is also essential for the development of low-carbon propulsion systems, including those powered by biofuels, e-fuels, hydrogen, or ammonia, where emissions behavior may differ substantially from conventional fuels. Engineers capable of designing robust, efficient, and clean ICE-based systems — whether for conventional, hybrid, or future fuel scenarios — will play a key role in supporting a just and technologically sound transition toward climate-neutral mobility.
The course combines theoretical insight with practical experience in testing, simulation, and diagnostics. Students will gain skills that are highly sought after in the automotive, energy, and transport sectors, particularly in the areas of powertrain design, calibration, emission certification, and regulatory compliance.
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.
In depth knowledge of the main features of internal combustion engines for ground vehicles propulsion, as far as efficiency, performance and pollutant emissions are concerned.
In depth 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.
Introduction
Evolution of the legislation framework: recent updates
Pollutant formation and in cylinder control
Combustion process and pollutant formation in s.i. engines: CO, HC, NOx formation mechanisms, impact of the main design, operating and calibration parameters
Combustion process and pollutant formation in c.i. engines: CO, HC, NOx, PM formation mechanisms, impact of the main design, operating and calibration parameters
In cylinder emission control: EGR, ignition/injection timing, “advanced” combustion regimes (e.g. PCCI, HCCI)
ICE advanced technologies for pollutant and GHG emissions control
Variable Valve Actuation, Miller Cycle, cylinder deactivation
Turbocharging & downsizing
Gasoline Direct Injection: homogeneous and stratified charge operation
Common Rail injection systems: multiple injections, injection rate shaping
Advanced Combustion regimes:
Homogeneous Charge Compression Ignition (HCCI),
Premixed Charge Compression Ignition (PCCI),
Partially Premixed Charge Compression Ignition (PPCCI),
Reactivity Control Compression Ignition (RCCI),
Spark Controlled Compression Ignition (SPCCI),
Gasoline Compression Ignition (GCI) Combustion.
Turbulent Jet Ignition (TJI): active and passive pre-chamber combustion systems
Ducted Fuel Injection (DFI)
Aftertreatment technologies
Three Ways Catalyst, TWC
Gasoline Particulate Filters, GPF
Diesel Oxidation Catalyst, DOC
Diesel Particulate Filter, DPF
Selective Catalytic Reduction, SCR
Lean NOX Trap, LNT
Complex systems, SCRonFilter (SCRoF), 4-ways catalysts
Alternative Fuels
CNG, H2/CNG mixtures, LPG
Bio and e-fuels: bioethanol, biodiesel, HVO, GTL
Methanol
Hydrogen, Ammonia
Dual Fuel systems
Engine Control & Diagnostics
Engine control system: engine control functions, modes and diagnostics.
Model-driven design of engine control systems for automotive applications: validation techniques and rapid prototyping: model-in-the-loop (MiL), software-in-the-loop (SiL), hardware-in-the-loop (HiL).
1-2 technical visits at automotive R&D centers in the Turin area (typically at Dumarey and/or at FPT industrial) are planned each year.
1-2 technical visits at automotive R&D centers in the Turin area (typically at Dumarey and/or at FPT industrial) are planned each year.
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.
While the lesson hours are devoted to the analyses of the course topics listed in the corresponding section above, the aim of the classroom exercises and laboratory sessions is to enable students to apply the theoretical concepts discussed during lectures to real-world cases, and to develop a quantitative understanding of key emissions-related parameters — for example, by learning how to calculate specific emissions under various operating conditions.
More in details, the practical trainings focus on the following case studies:
1) Fuel Consumption, CO2 and NOx Emissions of a Passenger Car over the WLTC driving cycle *
2) Analysis of the combustion process (Heat Release Rate, Knock risk in SI engines)*
3) Laboratory emissions measurements at Polito DENERG labs and calculation of specific emissions*
4) Engine simulation with commercially available 1D-CFD software (GT-Power):
- Engine modelling fundamentals, application examples: EGR, VVA and turbo control
- Virtual engine calibration for SI engines
- Virtual engine calibration for CI engines
* Written report mandatorily requested to access the final exam
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
Slides; Esercitazioni di laboratorio; Video lezioni tratte da anni precedenti; Strumenti di simulazione; Strumenti di auto-valutazione; Strumenti di collaborazione tra studenti;
Lecture slides; Lab exercises; Video lectures (previous years); Simulation tools; Self-assessment tools; Student collaboration tools;
Modalità di esame: Prova scritta (in aula); Elaborato scritto prodotto in gruppo;
Exam: Written test; Group essay;
...
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; Group essay;
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 portal 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 uploaded in the “Elaborati” section of the Web portal 10 days before the exam at latest to be checked and evaluated. Before uploading the reports, clarifications can be asked by e-mail, or in person by appointment only (tutors’ contacts will be published on the Web portal).Reports can be made in groups, made of not more than 3 students per group.
After reports have been evaluated, both original (before evaluation) and revised (after evaluation) version must be presented at the exam (in pdf only, no paper version).
Final score of the exam is composed as follows (32 points corresponding to 30 Cum Laude):
- up to 27 points for the written exam (7 points for the numerical problem, 5 points for each question);
- up to 4 points for the reports
- 1 bonus point for the Kahoot ! (see paragraph here below)
Kahoot: students have the opportunity to take part in a weekly multiple-choice quiz (via Kahoot), consisting of 10 closed-ended questions. By participating in at least 80% of the quizzes and achieving a sufficient score (at least 6 correct answers out of 10) in each, students can earn one additional point to be added to the final written exam score and the evaluation of the practical exercises. This allows for a maximum achievable score of 32/30, corresponding to a final grade of 30 cum laude.
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 architecture/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.