Performance and emissions analysis of an internal combustion engine with conventional and hybrid drive

The aim of this thesis is the analysis of the fuel consumption, emissions and operation of an engine model coupled with a vehicle model through the use of engine maps and driving simulations. The study has been carried out using three tools: Gasdyn, OptimICE and Velodyn. Gasdyn is a software developed by the Energy Department of Politecnico di Milano based on a 1D thermo-fluid dynamic model able to perform the simulation of the whole engine system and to obtain a fast prediction of its main characteristics. OptimICE is a complex MATLAB® code which can interact with the Gasdyn software. The aim of the code is to find the optimal values of the main engine characteristics in order to achieve the best engine configuration in terms of performance. After the optimization, OptimICE allows to generate the engine maps for fuel consumption and emissions. Velodyn is a vehicle simulation software which allows to couple an engine model built on Gasdyn to a complete vehicle model. Once the vehicle parameters are defined, it is possible to perform driving simulations and obtain precise data on fuel consumption, emissions and engine operation related to the driving cycle. The engine model analyzed is a spark-ignition, four-cylinders, naturally aspirated internal combustion engine, alimented by gasoline. It has been studied by varying the value of the compression ratio (CR). The three values considered are CR11, CR12, CR13. The engine model was previously built and optimized. In this work, Gasdyn has been used to generate the inputs containing the information requested by OptimICE. Through the use of OptimICE, the engine maps of fuel consumption and CO2, CO, HC and NOx emissions have been obtained. Thanks to Velodyn, the three sets of engine maps (CR11, CR12, CR13) have been added to two different vehicle models: a Conventional Manual Transmission Vehicle and a Serial Hybrid Vehicle. For both vehicle models a WLTP (Worldwide harmonized Light vehicles Test Procedure) cycle and an RDE (Real Driving Emissions) cycle have been simulated. From the performed simulations the following results have been investigated and compared: the most frequent engine operating points used by the model, the fuel autonomy and the emissions.

Lo scopo di questa tesi è l’analisi di consumi, emissioni e funzionamento del modello di un motore accoppiato al modello di un veicolo attraverso l’utilizzo di mappe motore e simulazioni di guida. Lo studio è stato possibile grazie a tre strumenti: Gasdyn, OptimICE and Velodyn. Gasdyn è un software sviluppato dal Dipartimento di Energia del Politecnico di Milano basato su un modello termo-fluidodinamico capace di simulare l’intero sistema del motore e ottenere una rapida previsione delle sue principali caratteristiche. OptimICE è un complesso codice MATLAB® che può interagire con il software Gasdyn. Lo scopo del codice è quello di trovare i valori ottimali delle principali caratteristiche del motore per ottenere la migliore configurazione del motore in termini di prestazioni. Dopo l’ottimizzazione, OptimICE permette di generare le mappe motore relative a consumi ed emissioni. Velodyn è un software di simulazione del veicolo che permette di accoppiare il modello di un motore costruito su Gasdyn al modello completo di un veicolo. Una volta definiti i parametri del veicolo, è possibile effettuare una simulazione di guida e ottenere dati precisi sul consumo di carburante, emissioni e funzionamento del motore relativi al ciclo di guida. Il modello del motore analizzato è quello di un motore a combustione interna, accensione comandata, quattro cilindri, aspirato e alimentato a benzina. Il motore è stato studiato variando il valore del rapporto di compressione (CR). I tre valori considerati sono CR11, CR12, CR13. Il modello del motore è stato costruito e ottimizzato precedentemente. In questa tesi, Gasdyn è stato utilizzato per generare gli input contenenti le informazioni richieste da OptimICE. Attraverso l’utilizzo di OptimICE, sono state ottenute le mappe motore del consumo di carburante e delle emissioni di CO2, CO, HC and NOx. Grazie a Velodyn, i tre set di mappe motore (CR11, CR12, CR13) sono stati inseriti in due modelli di veicolo differenti: un Veicolo Convenzionale a Trasmissione Manuale e un Veicolo Ibrido Serie. Per entrambi i modelli di veicolo sono stati simulati un ciclo WLTP (Worldwide harmonized Light vehicles Test Procedure) e un ciclo RDE (Real Driving Emissions). I seguenti risultati delle simulazioni effettuate sono stati studiati e confrontati: i più frequenti punti di funzionamento del motore usati dal modello, l’autonomia di carburante e le emissioni.