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Enrico MATTARELLI
Professore Ordinario
Dipartimento di Ingegneria "Enzo Ferrari"
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Insegnamento: Internal Combustion Engines
Advanced Automotive Engineering (Offerta formativa 2022)
Obiettivi formativi
Al termine dell’insegnamento lo studente dovrebbe aver acquisito la conoscenza dei principali aspetti termo-fluido-dinamici per la progettazione e calibrazione dei motori endotermici alternativi a ciclo Otto ed a ciclo Diesel, due e quattro tempi
Prerequisiti
Lo studente dovrebbe avere già acquisito le conoscenze sotto elencate:
• Classificazione dei motori (accensione comandata, per compressione, 2/4 tempi…) e principali impieghi
• Architettura dei principali tipi di motori (manovellismo, distribuzione, geometria del cilindro, sistemi di iniezione…), nomenclatura di tutti componenti
• Aspetti generali della combustione, differenze tra i vari tipi di motore
• Ciclo teorico e reale di un motore a 4 tempi
• Principali parametri operativi e prestazionali, almeno la definizione
• Espressione della potenza di un motore
• Sistemi di alimentazione del combustibile
• Formazione e controllo delle emissioni inquinanti
Programma del corso
ASPETTI GENERALI
Prestazioni misurate al freno. Parametri indicati (pressioni effettive medie), parametri di efficienza. Formula della potenza. Considerazioni sulla massimizzazione della potenza nei motori aspirati (influenza del numero di cilindri e del rapporto alesaggio / corsa)
Caratterizzazione sperimentale dei motori: parametri di funzionamento e di prestazione; mappe delle prestazioni. Accoppiamento motore-veicolo. Downsizing e downspeeding.
MODELLAZIONE DEL CICLO TERMODINAMICO
Cicli termodinamici: Otto, Diesel e Sabathé Influenza del rapporto di compressione, carico termico e pressione massima del cilindro sull'efficienza termodinamica. Massima temperatura e pressione. Temperatura dei gas di scarico
Modellazione del ciclo indicato: fasi di aspirazione e scarico; combustione (funzione di Wiebe), scambio termico
Il ciclo Atkinson (motori aspirati): efficienza termodinamica, influenza sull'efficienza volumetrica. Il ciclo Miller. Esempi numerici di motori Miller e Atkinson
Strategie di controllo delle valvole a carico parziale: LIVC, EIVC, IVT, de-attivazione dei cilindri
PANORAMICHE DELLE TECNOLOGIE MOTORISTICHE
Confronto tra motori ad accensione comandata e per compressione. Confronto tra 2 e 4 tempi. Cenni a modalità di combustione innovative (HCCI/RCCI, precamera)
PROCESSO DI RICAMBIO DELLA CARICA
Introduzione al processo di ricambio della carica nei motori a 4 tempi: espressione dell'efficienza volumetrica attraverso il 1 ° principio della Termodinamica. Influenza delle perdite di carico nel sistema di aspirazione / scarico, scambio termico, vaporizzazione del combustibile. Cenni al processo di evaporazione e miscelamento aria-combustibile. Confronto tra iniezione nel condotto e iniezione diretta nei motori SI. Modellazione del flusso attraverso le valvole: area efficacie, coefficienti di efflusso. Il banco di flussaggio stazionario. Errori nella misura dell'area efficacie. Area media efficacie, l'indice di Mach.
Dispersione ciclica
Descrizione qualitativa dei moti nel cilindro: swirl, tumble, squish. Misura dei parametri di turbolenza (swirl and tumble). Formula dello Swirl Ratio.
Cenni alla teoria delle onde di pressione Effetti dinamici nei motori SI veloci.
Progetto dei sistemi di aspirazione e scarico nei motori aspirati
Funzioni del sistema di aspirazione, principali layout, parametri progettuali fondamentali.
Formule empiriche per il dimensionamento del sistema di aspirazione. Influenza della lunghezza del condotto di aspirazione. Accordatura fluidodinamica del sistema di aspirazione. Trombette telescopiche, sistemi a due lunghezze.
Funzioni del sistema di scarico, principali layout, parametri progettuali fondamentali. Il problema del light-off del catalizzatore. Criteri di progettazione dello scarico.
Ottimizzazione della legge di attuazione delle valvole a pieno carico e a carico parziale.
Sistemi di attuazione variabile delle valvole.
SOVRALIMENTAZIONE
Introduzione alla sovralimentazione: aspetti generali, classificazione.
Sovralimentazione meccanica con il compressore volumetrico. Sovralimentazione elettrica.
Aspetti generali della sovralimentazione con turbocompressore. Progetto del sistema di scarico (scarico a impulsi, a pressione costante). Analisi della contropressione generata dalla turbina. Mappe di compressori e turbine. Calcolo del punto di lavoro sulla mappa. La valvola waste-gate. Progettazione del sistema di sovralimentazione con waste-gate. Turbina a geometria variabile. Sistemi a 2 stadi. Evoluzione dei motori ad accensione comandata turbocompressi.
Metodi didattici
Il corso verrà interamente svolto tramite lezioni frontali in INGLESE, supportate da presentazioni in Power Point, successivamente fornite agli studenti.
Saranno svolte anche esercitazioni pratiche su tematiche progettuali, utilizzando semplici fogli di calcolo (Excel)
La frequenza NON è obbligatoria, ma è fortemente raccomandata la partecipazione diretta alle lezioni, sebbene siano fornite dispense che coprono la quasi totalità degli argomenti.
Testi di riferimento
J.B. Heywood: "Internal Combustion Engine Fundamentals", Mc Graw-Hill, New York.
Verifica dell'apprendimento
Non sono previste prove in itinere. L’esame si compone di una prova scritta obbligatoria e di un orale facoltativo, da sostenersi nell’ambito dello stesso appello.
Al termine del corso, tra il mese di Giugno e quello di Settembre, sono previsti almeno tre appelli. Solo in caso di un numero di appelli maggiore, nel predetto periodo, potranno essere previste restrizioni sui tentativi a disposizione degli studenti (massimo tre)
La prova scritta si terrà in modalità mista, ovvero sia in presenza che a distanza. La modalità di prova è a libera scelta dello studente.
La prova scritta consiste, per tutti, nella risoluzione di esercizi numerici. E’ sempre consentito l’utilizzo della calcolatrice e di un formulario, redatto dallo studente, di non oltre due facciate di foglio A4.
Per la prova scritta a distanza verrà utilizzata la piattaforma “Dolly”, e verrà richiesto l’invio di una copia elettronica dell’elaborato.
Il punteggio di ciascuna domanda verrà chiaramente indicato nel compito. La somma dei punteggi di ciascuna domanda sarà pari ad almeno 30. Non sono previste penalizzazioni per le domande sbagliate, ma, in caso di valore numerico errato, la valutazione sarà a discrezione del docente.
I risultati dello scritto saranno comunicati dal docente prima della prova orale, in concomitanza della correzione pubblica dello scritto. In caso di dubbi, verranno riesaminati i compiti.
Al termine della correzione sarà possibile comunicare la volontà di accedere o meno all’orale, che permette un incremento di massimo 2 punti rispetto al voto arrotondato per eccesso dello scritto.
Se lo scritto ha avuto una valutazione positiva, in assenza di diverse comunicazioni da parte dello studente, si intende che il voto dello scritto viene accettato (silenzio=assenso)
Anche l’eventuale prova orale sarà in modalità mista e consisterà in almeno due domande su qualunque argomento del corso.
Risultati attesi
1) CONOSCENZA E CAPACITÀ DI COMPRENSIONE
• Comprendere le principali problematiche inerenti il progetto e la calibrazione dei motori a combustione interna
• Comprendere quali siano le soluzioni tecnologiche e gli strumenti più importanti per affrontare le suddette problematiche
• Applicare alcune semplici metodologie di analisi allo studio delle varie problematiche
• Analizzare i risultati provenienti da simulazioni numeriche o da indagini sperimentali
• Valutare vantaggi e criticità di ciascuna soluzione studiata
• Creare, quando è possibile, soluzioni per i problemi analizzati
2) CONOSCENZA E CAPACITÀ DI COMPRENSIONE APPLICATE
• Capacità di individuare le criticità e i punti di forza nella progettazione e calibrazione di un motore a combustione interna
• Capacità di individuare le tecnologie più opportune al raggiungimento degli obiettivi di progetto del motore
• Conoscenza approfondita di tutti i principali parametri motoristici
• Capacità di calcolare i suddetti parametri motoristici sulla base dei dati geometrici e sperimentali
• Capacità di applicare semplici modelli numerici allo studio del ciclo di indicatore di un generico motore
• Capacità di impostare il progetto dei sistemi di aspirazione e scarico di motori a quattro tempi, incluse le valvole
• Capacità di impostare il progetto di un sistema di sovralimentazione applicato ad un generico motore
3) AUTONOMIA DI GIUDIZIO
• Capacità di confrontare analiticamente diverse soluzioni progettuali
4) ABILITÀ COMUNICATIVE
Acquisizione e padronanza dei termini tecnici più importanti, sia in Italiano che in Inglese
5) CAPACITÀ DI APPRENDERE
• Capacità di approfondire le conoscenze di base acquisite nel corso attraverso la consultazione di libri di testo, articoli scientifici, report e la partecipazione a ulteriori corsi, seminari, convegni
• Capacità di comprendere le nozioni impartite nei corsi più avanzati sulla stessa tematica
• Capacità di avviare un processo di apprendimento continuo