Scuola Politecnica Corso di Studi: Laurea Magistrale in Ingegneria
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Scuola Politecnica Corso di Studi: Laurea Magistrale in Ingegneria Energetica Anno di Corso II Denominazione Insegnamento: Propulsion systems for low environmental impact Codice Insegnamento: Crediti Formativi: 6 Settore Scientifico Disciplinare: ING IND 08 Tipo Insegnamento: monodisciplinare Docente Titolare: Zamboni Giorgio Obiettivi Formativi: Il corso si pone i seguenti obiettivi: fornire agli allievi una conoscenza critica sui sistemi propulsivi ad elevata compatibilità ambientale per i diversi settori applicativi, anche in relazione agli aspetti energetici ed economici; consentire agli studenti di sviluppare capacità di analisi e di confronto di sistemi e tecnologie innovative per i motori termici a ridotto impatto ambientale, utilizzazione dei combustibili alternativi (biocombustibili, gas naturale, idrogeno), sistemi di propulsione ibrida (termica + elettrica) ed applicazione delle fuel cell nei sistemi propulsivi; fornire agli allievi criteri per la selezione tra diversi sistemi e tecnologie con riferimento a differenti campi applicativi, consentendo una prima valutazione sugli effettivi benefici in termini di riduzione dei consumi energetici e dell’impatto ambientale delle soluzioni considerate rispetto a sistemi convenzionali. Programma: Motori termici a ridotto impatto ambientale – Problematiche, quadro normativo e possibili campi di intervento; sistemi di iniezione avanzati per MCI ad accensione comandata e Diesel; processi di combustione di tipo HCCI (Homogeneous Charge Compression Ignition); sistemi e dispositivi avanzati per il contenimento delle emissioni inquinanti allo scarico; problematiche innovative relative alla sovralimentazione dei MCI per autotrazione; riduzione delle emissioni di CO2 dei motori termici: concetto di downsizing e tecnologie associate. Combustibili alternativi – Gas naturale: problematiche, aspetti energetici, operativi ed economici, effetto sulle emissioni inquinanti; utilizzazione di idrogeno e miscele idrogeno-metano nei motori termici per trazione; biocombustibili: tipologie, inquadramento normativo, problematiche, tecniche di produzione, analisi economica, applicazione ai sistemi propulsivi, effetti sul consumo di combustibile e sulle emissioni inquinanti, bilancio globale delle emissioni di CO2; bilancio energetico complessivo (analisi well-to-wheel). Propulsione elettrica ed ibrida – La trazione elettrica: vantaggi e svantaggi, prestazioni, campo operativo, costi, caratteristiche e tipologie degli accumulatori, problemi affidabilistici e di durata, bilancio energetico ed emissivo globale; la propulsione ibrida: configurazioni dei sistemi ibridi, categorie di ibridizzazione (sistemi start-and-stop, micro, mild, full hybrid), peculiarità, limiti e caratteristiche delle configurazioni di interesse applicativo, esempi applicativi, bilancio energetico ed emissivo, problematiche e prospettive di sviluppo. Applicazione delle celle a combustibile (fuel cell) nei sistemi propulsivi – Generalità sul processo di conversione elettrochimico, tipologie e caratteristiche delle celle a combustibile; applicazione delle fuel cell nei sistemi propulsivi: tipologie utilizzate, problematiche operative, prestazioni, sistemi di produzione ed accumulo dell’idrogeno, bilancio energetico ed emissivo globale; esempi applicativi, problematiche tecnologiche e economiche, prospettive di sviluppo. Attività didattiche Lezione Esercitazione Laboratorio ore previste 48 0 0 Corso integrativo 0 Riferimenti bibliografici P. J. Dingle and M. D. Lai, Diesel Common Rail and Advanced Fuel Injection Systems, Society of Automotive Engineers, 2005. R. van Basshuysen, Gasoline Engine with Direct Injection, Vieweg+Teubner, 2009. AA. VV., Advanced combustion for low emissions and high efficiency: a literature review of HCCI combustion concepts, CONCAWE Technical Report no.4/08, 2008. B. Kegl, M. Kegl, S. Pehan, Green Diesel Engines – Biodiesel Usage in Diesel Engines, Springer, 2013. B. Morey, Future Automotive Fuels and Energy – Technology Profile, Society of Automotive Engineers, 2013. G. Kalghatgi, Fuel/Engine Interactions, Society of Automotive Engineers, 2014. K. Owen, T. Coley, Automotive Fuels Reference Book, Society of Automotive Engineers, 3rd Edition, 2014. I. Husain, Electric and Hybrid Vehicles – Design Fundamentals, Taylor and Francis Group, 2011. AA. VV., Fuel Cell Handbook, U.S. Department of Energy, Office of Fossil Energy, National Energy Technology Laboratory, 7th Edition, 2004. P. Corbo, F. Migliardini, O. Veneri, Hydrogen Fuel Cells for Road Vehicles, Springer, 2011. R. Edwards, H. Hass, J.F. Larivé, L. Lonza, H. Maas, D. Rickeard, Well-to-Wheels analysis of future automotive fuels and powertrains in the European context – Well-to-Wheels Report, Version 4a, European Commission – Joint Research Centre, Institute for Energy and Transport, 2014. Dispense e materiale didattico del Docente Organizzazione del corso e modalità esame Lezioni frontali. Esame orale composto da tre quesiti. Propedeuticità Laurea triennale in Ingegneria Industriale o titolo equivalente. Learning Objectives: The main objectives of the course are: to provide an adequate and critical knowledge on environmental friendly propulsion systems for different applications, taking into account energyrelated and economic issues. To develop skills for the analysis and comparison of advanced systems and technologies for ultra-low emissions Internal Combustion Engines (ICE), the use of alternative fuels (biofuels, NG, hydrogen), the development of hybrid propulsion systems and the application of fuel cells to road vehicles propulsion. To provide criteria for the selection of different systems and technologies referring to several application fields, allowing a first assessment of real benefits in terms of energy consumption and environmental impact for the proposed technical solutions compared to conventional systems. Course Program: Advanced systems and technologies for ultra-low emissions ICE – General overview on problems, legislation and possible actions; advanced fuel injection systems for Spark Ignition (SI) and Diesel engines; HCCI (Homogeneous Charge Compression Ignition) combustion processes; innovative devices and systems for exhaust emissions control; advanced turbocharging concepts; CO2 emission reduction in thermal engines: downsizing concept and related technologies. Alternative fuels – Natural gas: problems, energy-related, operating and economic issues, effect on exhaust emissions; hydrogen and hydrogen-methane mixtures for thermal engine powertrains; biofuels: types, legislation, problems, production techniques, economic analysis, use in propulsion systems, effects on fuel consumption and exhaust emissions, CO2 emissions overall balance; Wellto-wheel analysis. Electric and hybrid propulsion – Electric powertrain: advantages/disadvantages, performance, operating range, costs, energy storage devices characteristics, reliability and duration issues, global energy and emissive balance; hybrid propulsion: hybrid system configurations, hybrid categories (start-&-stop, micro, mild, full hybrid systems), main features, characteristics and limits of operating configurations, applied examples, global energy and emissive balance, further developments. Fuel cell application to propulsion systems – General overview on the electrochemical conversion process, fuel cell types and characteristics; fuel cell application to powertrain systems: types, operating problems, performance, hydrogen generation and storage systems, energy and emissive balance; applications, technical and economic issues, further developments.