Fast running modelling techniques for an IC engine by means of the Gasdyn code

The objective of this work is to speed up the simulation of a 1D model of a naturally aspirated, spark ignition internal combustion engine, maintaining as much as possible the accuracy in the results. The aim is achieved through a geometry simplification of the detailed model, in parallel with an increase of the mesh dimension adopted for the calculations. These two strategies combined together, lead to a reduction in the total number of the calculation nodes in the model, and so, to a reduction in computation time. At first, the base model is analysed and tested by means of an enlargement of the discretization length, highlighting the accuracy limits that this model has. Afterwards, the configuration at the exhaust system is modified; the final model is built simplifying also the intake system and takes the name of Fast Running Model. To accomplish this work, the numerical one-dimensional simulation tool Gasdyn, developed by the Internal Combustion Engines Group of Politecnico di Milano, is used. All the numerical results are achieved applying two different numerical techniques: a finite-difference method, the Gascon-Corberan, and a finite-volume method, the 3D Cell. The simulations of both the exhaust only simplified model, and of the Fast Running Model have been performed for the two numerical methods and applying several discretization lengths. The performances are then evaluated in terms of operating parameters, mass conservation, pressure waves motion; the obtained results are compared with the ones of the base model. So, the accuracy of the simplifications can be assessed. In the end, the data relative to the results accuracy and of the computational times are collected and evaluated. By means of this procedure a trade-off between accuracy and computational time has been found. Good results are achieved by both methods but has been demonstrated that the 3D Cell method is more appropriate to reach the purpose, mainly thanks to his peculiar ability to conserve much better the mass flow rate through all the engine model.

L’obiettivo di questo lavoro è quello di velocizzare la simulazione di un modello monodimensionale di un motore a combustione interna aspirato, ad accensione comandata, mantenendo l’accuratezza dei risultati al livello più alto possibile. Tale obiettivo viene raggiunto attraverso una semplificazione della geometria del modello dettagliato, in parallelo con un incremento della mesh di calcolo adottata nelle simulazioni. Queste due strategie combinate fra loro, comportano a una riduzione del numero di nodi di calcolo del modello, riducendo così i tempi di calcolo. Inizialmente, il modello base è stato analizzato attraverso un incremento del passo di discretizzazione, evidenziandone i limiti di accuratezza. Dopodiché è stata modificata la configurazione relativa alla sezione di scarico; il modello finale è stato costruito semplificando anche la sezione di aspirazione, e prende il nome di Fast Running Model. Per svolgere questa tesi, è stato utilizzato il software di modellazione numerica monodimensionale Gasdyn, sviluppato dal gruppo di Motori a Combustione Interna del Politecnico di Milano. Tutti i risultati sono stati ottenuti adottando due differenti tecniche numeriche: una a differenze finite, Gascon-Corberan, e una a volumi finiti, il 3D Cell. Sono state effettuate simulazioni, sia del modello semplificato al solo sistema di scarico che del Fast Running Model, con entrambi i metodi numerici e applicando diverse lunghezze di discretizzazione. Le performance sono state valutate in termini di parametri operativi, di conservazione della portata, di onde di pressione; i risultati ottenuti poi sono stati comparati con quelli relativi al modello base, cosicché possa essere valutata l’accuratezza delle semplificazioni. Infine, i dati relativi alla precisione dei risultati e delle velocità di calcolo sono stati raccolti e confrontati. Attraverso questa procedura si è potuto trovare un compromesso tra l’accuratezza dei risultati e la durata computazionale delle simulazioni. Entrambi i metodi hanno dato buoni risultati, tuttavia si è dimostrato che il 3D Cell è più appropriato per questo scopo, anche soprattutto grazie alla sua peculiare abilità di conservare perfettamente la massa attraverso tutte le sezioni del modello del motore.