1D fluid dynamic modeling of a natural gas light-duty IC engine: predicted results VS measured data

The aim of this thesis has been the creation and validation of a thermo-fluid dynamic model dedicated to a four cylinder in line, turbocharged, light-duty, Spark Ignition, Natural Gas engine dedicated to the truck transportation. The analysed engine, still in the developing phase, is the F1C CNG. It is built by FPT (Fiat Power Train) and it is tested on a dedicated test bench at EMPA – Swiss Federal Laboratories for Materials Science and Technology, which provides the experimental data necessary for a complete comparison procedure with respect to the simulated results. Moreover, this engine is also modelled, by EMPA, using a more affirmed and tested commercial software named GT-Power and from that scheme it is possible to obtain some important informations relative to the engine system and in particular way all the geometric dimensions which have to be used during the building process of our model. Other fundamentals data are provided, after some request of clarifications, through dedicated excel files. The software used for the calculations is Gasdyn, a computational research code made by the “Internal Combustion Engine” (ICE) group of the “Politecnico di Milano” in cooperation with Exothermia SA. It is coupled with a Graphical User Interface (GUI), that, in its last version, is called GASDYNPRE3. Through it the scheme of the engine is drawn in all its main components to create the input files necessary to perform the thermo-fluid dynamic simulations. Some problems of various kind have been highlighted during the thesis work period and in this way has been possible to continuously adjust and improve the software. The post processing analysis of the simulation results is carried out with some excel files created, step by step, during the thesis period, specifically to allow a quick comprehension of the outputs and a good and exhaustive comparison between the simulated and measured values.

Lo scopo di questa tesi è stata la creazione e la validazione di un modello termo fluido dinamico per un motore a quattro cilindri in linea alimentato a Gas Naturale, SI, turbocompresso, per veicoli leggeri dedicati al settore dei trasporti. Il motore in analisi, ancora in fase di sviluppo, è l’F1C CNG realizzato da FPT (Fiat Power Train) e testato su un banco prova dedicato presso EMPA – Swiss Federal Laboratories for Materials Science and Technology, che ci fornisce i dati sperimentali necessari per un confronto completo con i risultati delle simulazioni. Inoltre, è stato creato un modello, da parte di EMPA, che utilizza un software commerciale già affermato ed utilizzato di nome GT-Power e da esso è stato possibile estrarre alcune importanti informazioni relative al sistema motore e in particolar modo tutte le dimensioni di ogni componente che deve essere utilizzato durante il processo di costruzione del nostro modello. Altri dati fondamentali per il modello sono stati forniti, in seguito ad alcune richieste di chiarimento, attraverso dei file Excel dedicati. Il software utilizzato per le simulazioni numeriche è Gasdyn, un codice di calcolo scritto dal gruppo “Internal Combustion Engine” (ICE) del Politecnico di Milano con la collaborazione di Exothermia SA. Esso è accoppiato con una interfaccia grafica (GUI), che, nella sua ultima versione, è chiamata GASDYNPRE3. Attraverso essa lo schema del motore può essere disegnato in tutti i suoi componenti al fine di creare dei file di input necessari per svolgere le simulazioni termo-fluido dinamiche. Alcuni problemi di vario genere sono stati messi in luce durante il periodo di tesi, così da rendere possibile un continuo miglioramento del software. L’analisi dei risultati delle simulazioni è svolta utilizzando alcuni file Excel creati, gradualmente, durante il periodo di tesi, appositamente per permettere una rapida comprensione degli output ed un confronto esaustivo tra i valori simulati e quelli misurati.