Prediction of performance maps of a modern SI engine by means of Gasdyn and OptimICE

The aim of the thesis is the analysis of the engine maps of brake specific fuel consumption and emissions of an engine model produced by Alfa Romeo. The study has been carried out using the software Gasdyn, developed by the Energy Department of Politecnico di Milano to study the thermo-fluid-dynamic 1-D behaviour of the all the fluids involved in the processes of an internal combustion engines, coupled with the MATLAB® code OptimICE. The engine model analysed is a spark-ignition, four-cylinders, naturally aspirated ICE, alimented by gasoline. Once the engine has been modelled in detail in Gasdyn, the program can be run and, through the use of the optimization code OptimICE, all the data needed to plot the engine maps are obtained. In particular, the values of fuel consumption and NOx, CO, CO2 and unburned HC emissions are given in each engine operating condition required. These data are grouped in iso-values intervals and plotted as curves in engine speed-torque diagrams. Different working conditions have been simulated and their results have been compared and commented. Mainly, the effects of the variations of air-fuel ratio and compression ratio have been studied, showing how the engine behaviour changes in case of rich or lean mixtures and in presence of higher compression ratios. Moreover, the concept of Atkinson cycle has been applied to the model and the conditions of the cold start of the engine have been simulated.

Lo scopo della tesi è un’analisi delle mappe di funzionamento del motore, in termini di consumi specifici del carburante ed emissioni di un motore prodotto da Alfa Romeo. Lo studio è stato condotto utilizzando il software Gasdyn, sviluppato dal Dipartimento di Energia del Politecnico di Milano allo scopo di studiare il comportamento termo-fluido-dinamico in una dimensione di tutti i fluidi coinvolti nei processi di un motore a combustione interna, affiancato dal codice MATLAB OptimICE. Il motore analizzato è un motore a combustione interna ad accensione comandata, aspirato, dotato di quattro cilindri, alimentato a benzina. Dopo aver riprodotto in dettaglio il modello in Gasdyn, il programma può essere eseguito e, con l’ausilio del codice di ottimizzazione OptimICE, si ottengono tutti i dati necessari per il disegno delle mappe di funzionamento. In particolare, vengono dati i valori di consumo specifico del carburante e di emissioni di NOx, CO, CO2, e idrocarburi incombusti per ogni condizione di funzionamento del motore richiesta. Questi dati, dopo essere stati raggruppati in intervalli iso-valore, vengono riportati lungo iso-linee in diagrammi velocità del motore-coppia motrice. Sono state simulate differenti condizioni di funzionamento del motore e i relativi risultati sono stati comparati e commentati. Principalmente, sono stati studiati gli effetti delle variazioni di air-fuel ratio e rapporto di compressione, mostrando come cambia il comportamento del motore in caso di miscele ricche o povere e di rapporti di compressione più elevati. Inoltre, è stata applicata al modello motoristico il concetto di Atkinson cycle ed è stata svolta la simulazione dell’accensione a freddo del motore.