1D fluid dynamic modeling of a turbocharged SI engine with e-booster

In the last years, engine downsizing has become an established technology to reduce the emissions from an internal combustion engine: through turbocharging, a reduction of the fuel consumption and an increase of the engine efficiency are possible. Nevertheless, one of the biggest drawbacks of turbochargers is the turbolag: the filling of intake and exhaust ducts and the acceleration of the rotating components of the turbocharger require a certain time period. This reduces the driving comfort, especially during acceleration. One way for addressing this problem is the electrification of the charging system: in particular, an e-booster, which is an electrically driven compressor, can enhance the intake pressure, when required; in this way, the air mass flow that reaches the mechanical compressor increases and the engine response is improved. The aim of this work is the implementation of this e-booster in the Gasdyn code, a one-dimensional thermo-fluid dynamics software able to simulate the combustion engines behaviour. The new component is developed on a turbocharged four-cylinder spark-ignition engine model. Simulations at constant rotational speed and varying load are performed: it is shown how in these transient conditions the engine response is improved, thanks to the e-booster assistance. In addition, all these results are supported by an analysis of the energy consumption. In the second part of the work, a vehicle is coupled to the engine; this allows to perform realistic multi-regime simulations, in which the attention is focused on the vehicle performances. As expected, the acceleration and the speed of the vehicle are improved.

Negli ultimi anni, il downsizing del motore è diventato una tecnica consolidata per ridurre le emissioni di un motore a combustione interna: attraverso la sovralimentazione, sono possibili una riduzione del consumo di carburante e un aumento dell'efficienza del motore. Tuttavia, uno dei più grandi svantaggi dei turbocompressori è il turbo-lag: il riempimento dei condotti di ingresso e di scarico e l'accelerazione dei componenti rotanti del turbocompressore richiedono un certo periodo di tempo. Questo riduce il comfort di guida, specialmente durante l'accelerazione. Un modo per risolvere il problema è l'elettrificazione del sistema di alimentazione: in particolare, un e-booster, che è un compressore alimentato elettricamente, può aumentare la pressione di ingresso, quando richiesto; in questo modo, la portata massica di aria che raggiunge il compressore meccanico aumenta e il tempo di reazione è migliorato. Lo scopo di questo lavoro è l'implementazione di questo e-booster nel codice Gasdyn, un software di termo-fluido dinamica monodimensionale capace di simulare il comportamento dei motori a combustione. Il nuovo componente è sviluppato sul modello di un motore quattro cilindri ad accensione comandata. Simulazioni a velocità di rotazione costante e carico variabile sono effettuate: viene mostrato come in queste condizioni di transitorio il tempo di reazione del motore è migliorato, grazie all'assistenza dell'e-booster. Per di più, tutti questi risultati sono supportati da un'analisi dei consumi energetici. Nella seconda parte del lavoro, un veicolo è accoppiato al motore; questo permette di effettuare simulazioni multiregime realistiche, in cui l'attenzione è focalizzata sulle prestazioni del veicolo. Come previsto, l'accelerazione e la velocità del veicolo migliorano.