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Anno Accademico 2017/18
01NICLO
Design of engine and control system
Corso di Laurea Magistrale in Automotive Engineering (Ingegneria Dell'Autoveicolo) - Torino
Docente Qualifica Settore Lez Es Lab Tut Anni incarico
Spessa Ezio ORARIO RICEVIMENTO O2 ING-IND/08 42 6 33 0 10
SSD CFU Attivita' formative Ambiti disciplinari
ING-IND/08 8 B - Caratterizzanti Ingegneria meccanica
Presentazione
Il modulo si propone di fornire agli allievi che scelgono l'indirizzo 'Propulsori', la conoscenza delle tematiche inerenti alla progettazione strutturale e termofluidodinamica del motore e ai parametri del controllo, studiando:
-l'architettura del motore e le problematiche termiche e strutturali dei principali componenti;
-i sistemi di ricambio della carica ed il controllo dell'alimentazione dell'aria;
-il processo di iniezione, i sistemi di alimentazione del combustibile ed il loro controllo;
-la termofluidodinamica alla base del progetto della camera e del processo di combustione.
Risultati di apprendimento attesi
Conoscenza approfondita delle problematiche e metodologie di progettazione del motore nei suoi vari componenti, con riguardo ai principali aspetti funzionali, termofluidodinamici e strutturali. CapacitÓ di valutazione ed ottimizzazione dei parametri che condizionano il ricambio della carica (con riferimento anche alle tecniche dei condotti risonanti a geometria variabile), la distribuzione (con riferimento anche alla fasatura variabile) e la sovralimentazione. Conoscenza approfondita dell'iniezione dei combustibili (convenzionali e alternativi) e dei relativi sistemi; delle problematiche di fluidodinamica e combustione; della loro interazione ed influenza sulle prestazioni e sulle emissioni inquinanti. CapacitÓ di analisi dei processi termofluidodinamici e di combustione mediante modelli zero-dimensionali e multi-dimensionali.
Prerequisiti / Conoscenze pregresse
Conoscenza dell'architettura del motore e delle caratteristiche funzionali e di controllo.
Programma
Architettura e progettazione termo-strutturale del motore
-Architettura del motore: approfondimenti di alcuni layout motore significativi. Progetto del manovellismo: richiami di analisi dinamica e vibrazionale; procedure CAE a supporto della progettazione; scelta dei cuscinetti.
-Analisi della distribuzione: dispositivi di comando delle valvole e loro effetti sul rendimento organico del motore (criteri di minimizzazione dell'attrito); usura del contatto camma-cedente; esempi di tecniche CAE di supporto.
-Calcolo dei carichi termici e campi di temperatura in un motore: processi di trasmissione del calore nel propulsore; calcolo del flusso di calore medio; influenza delle condizioni di funzionamento; modelli di calcolo del flusso termico istantaneo; modelli per la simulazione e il calcolo dei campi di temperatura nei principali organi e dei carichi termici.
-Criteri di progettazione dei componenti statici del motore: influenza dei parametri di lavorazione, di montaggio e di funzionamento sulle sollecitazioni meccaniche e termiche (principali problemi); criteri di dimensionamento e verifica delle deformazioni; dimensionamento delle intercapedini di raffreddamento; richiami di analisi FEM e relative applicazioni.
-Analisi della lubrificazione: lubrificanti; layout e dimensionamento del circuito; tecniche CAE di supporto.
Progettazione termofluidodinamica dei sistemi di ricambio della carica e controllo dell'alimentazione dell'aria
-Coefficienti di efflusso attraverso le valvole e loro misura; aspetti cinematici e dinamici della distribuzione in relazione al processo di riempimento del motore; verifica di alzata e fasatura delle valvole. Criteri di progettazione termofluidodinamica delle valvole.
-Principi di gasdinamica dei flussi non stazionari: aspetti applicativi ai fenomeni di propagazione ondosa nei sistemi di aspirazione e scarico e loro ottimizzazione ai fini delle prestazioni del motore.
-Modelli di calcolo monodimensionale (progettazione di layout) e tridimensionale (ottimizzazione di dettaglio).
-Sistemi VVT (Variable Valve Timing) e VVA (Variable Valve Actuation): effetti della legge di alzata delle valvole sul riempimento, sulla curva di coppia del motore, e sull'entitÓ di gas residui; applicazione ai motori ad accensione comandata per il miglioramento della regolazione del carico; applicazioni ai motori diesel.
-Sovralimentazione: compressore a comando meccanico, turbocompressore e turbina a gas di scarico; alimentazione della turbina a pressione costante e variabile; accoppiamento del sistema di sovralimentazione al motore; progetto del sistema di aftercooling. Modelli numerici e simulazione di sistemi di sovralimentazione e di motori sovralimentati. Parametri di controllo. Valutazione degli effetti della contropressione allo scarico sulle prestazioni del motore. Sistemi ad elevato rapporto di sovralimentazione.
Progettazione dei sistemi di alimentazione del combustibile e del loro controllo
-Richiami sui combustibili liquidi e gassosi: convenzionali (specifiche e riformulazione); ossigenati; alternativi.
-Modelli di calcolo delle prestazioni di sistemi di iniezione del combustibile e loro controllo. Analisi dei transitori fluidodinamici e di possibili fenomeni di instabilitÓ e cavitazione; effetti sulla formazione dello spray.
-Interazione dello spray e moto dell'aria: formazione della miscela comburente ed effetti sulle prestazioni.
-Iniezione di benzina: a monte delle valvole di aspirazione (Single-Point, SP, e Multi-Point, MPI) e direttamente in camera di combustione (GDI). Strategie di iniezione diretta GDI: formazione di carica omogenea e stratificata.
-Iniezione di gasolio: sistemi a Common Rail, iniettore-pompa (Unit Injector); criteri per la loro progettazione.
-Sistemi per l'iniezione di combustibili alternativi: gas naturale e GPL.
Progettazione termofluidodinamica del sistema di combustione e del relativo controllo
Processo di combustione nei motori ad accensione comandata.
-Misura e analisi della pressione in camera; rilascio di calore, modelli zero-dimensionali, modelli multizona e loro applicazione alla diagnostica di processo e alla progettazione. Valutazione dei principali parametri di combustione.
-Accensione, sviluppo e propagazione della fiamma; ruolo della turbolenza nel processo di combustione; interazione tra fluidodinamica e combustione; parametri di controllo della combustione; modelli di calcolo multidimensionale e loro applicazione al progetto del sistema di combustione; principali modelli di combustione e relative limitazioni.
-Iniezione diretta del combustibile e processo di stratificazione della carica: differenti strategie di combustione (stechiometrica, magra omogenea e stratificata) e del controllo relativo.
Processo di combustione nei motori ad accensione per compressione.
-Generazione del moto medio e della turbolenza e loro controllo in relazione agli effetti sulle prestazioni e sulle emissioni inquinanti, con particolare riferimento al particolato; formazione dello spray e della miscela.
-Ritardo d'accensione fisico-chimico; evoluzione della combustione; ruvidezza e anomalie di combustione. Analisi di rilascio termico. Effetti della legge di iniezione sul rilascio di calore e sulle prestazioni del propulsore. Downsizing.
-Progettazione termofluidodinamica mediante modelli termodinamici ('filling and empting'), monodimensionali e mediante modelli multidimensionali.
Organizzazione dell'insegnamento
Gli allievi svolgeranno in aula esercizi numerici applicativi dei concetti impartiti a lezione. Sono previste esercitazioni sperimentali al calcolatore che prevedono l'impiego di codici per la simulazione numerica zerodimensionale, mono e pluridimensionale di processi nel motore e suoi apparati. Gli allievi inoltre svolgeranno esperienze di laboratorio mirate al rilievo della pressione nella camera di combustione di motori a benzina e a gas naturale ed alla relativa analisi di rilascio termico. Saranno effettuate esercitazioni di laboratorio al banco prova iniettori per l'analisi dei parametri di iniezione in sistemi a common rail.
Testi richiesti o raccomandati: letture, dispense, altro materiale didattico
Il materiale didattico che sarÓ impiegato durante lezioni ed esercitazioni, costituito da appunti, diagrammi e schemi, Ŕ reso disponibile agli studenti. Per approfondire argomenti specifici sono consigliati i testi seguenti:
-G. Ferrari: 'Motori a combustione interna', Il Capitello, Torino, 2001.
-D.E. Winterborne, R.J. Pearson: 'Design Techniques for Engine Manifolds', SAE Int. Publisher, 1999.
-H. Bauer, K.H. Dietsche, J. Crepin, F. Dinkler: 'Diesel-Engine Management', Bosch-SAE Publishers, 1999.
-G. Bocchi: 'Motori a quattro tempi', Hoepli, Milano, 1997.
-W.H. Crouse, D.L. Anglin: 'Automotive Engines' MacMillan/McGraw-Hill, N.Y., 1995.
-A. Garro: 'Progettazione Strutturale del Motore', Levrotto & Bella, Torino, 1992
-J.B. Heywood: 'Internal combustion engines fundamentals', McGraw-Hill, N.Y., 1988.
-U. Adler, H. Bauer: 'Automotive Electric/Electronic Systems', Bosch-SAE Publishers, 1988.
-V.I. Krutov: 'Automatic Control of Internal Combustion Engines', Mir Publishers, Moscow, 1987.
-C.R. Ferguson: 'Internal Combustion Engines', John Wiley & Sons, NY, 1986.
-C.F. Taylor: 'The Internal Combustion Engine in Theory and Practice', The M.I.T. Press, Cambridge, MA, 1985.
-H. List, A. Pischinger: 'Die Verbrennungskraftmaschine', 6 vol., Springer-Verlag, N.Y., 1976.
-R. Bussien: ' Automobiltechnisches Handbuch', Technischer Verlag, Berlin, 1965.
Criteri, regole e procedure per l'esame
L'esame consiste in una prova orale mirata ad accertare essenzialmente il grado di apprendimento e di comprensione dei contenuti sia delle lezioni sia delle esercitazioni svolte in aula.
Orario delle lezioni
Statistiche superamento esami

Programma definitivo per l'A.A.2015/16
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