1D thermo-fluid dynamic modelling of SI engines : exploring the advantages of the Atkinson-Miller cycle

The aim of this thesis is to prove that the application of Atkinson-Miller cycle to a modern naturally aspirated SI engine can improve fuel economy and total efficiency during part load operations that are actually the most common working conditions of a city car engine. First of all, a critical review of current state-of-the-art research on ACE and MCE is provided. Their similarities and differences are clarified. An in-depth description of the mechanical realizations for the over-expansion cycle is made; crucial challenges are pointed out and general recommendations on real applications are given. After a successful validation of the 2.0 16V Alfa Romeo SI engine, an analysis of the outcomes of the LIVC/EIVC strategies’ application is carried out. It consisted in the comparison between the baseline Otto cycle and the Atkinson-Miller cycle, focusing on BSFC and total efficiency, the main indicators of engine performance quality. Moreover, an investigation on the possible improvements given by an increase of the geometrical compression ratio of the engine is performed. The data upon which this analysis is based, are the outputs resulting from the simulations made by Gasdyn, a one-dimensional simulation code developed by the Internal Combustion Engine Team of the Energy Department of Politecnico di Milano.

L’obiettivo di questa tesi è dimostrare che l’applicazione del ciclo Atkinson-Miller ad un moderno motore ad accensione comandata aspirato, possa ridurne il consumo specifico di combustibile, e quindi migliorarne l’efficienza ai carichi parziali, rappresentanti le più comuni condizioni operative di un motore per applicazioni automobilistiche. In primo luogo, è stato passato in rassegna l’attuale stato dell’arte dei motori basati sui cicli Atkinson e Miller, e le loro analogie e differenze sono state illustrate. Inoltre, sono state descritte delle possibili realizzazioni meccaniche dei cicli sovraespansi, evidenziandone le fondamentali criticità e fornendo degli spunti sulla loro applicazione in campo reale. Dopo aver concluso con successo la fase di validazione del motore ad accensione comandata aspirato Alfa Romeo 2.0 16V in esame, sono stati analizzati gli effetti derivanti dall’applicazione delle strategie LIVC/EIVC attraverso un confronto tra il ciclo Otto di base ed il ciclo Atkinson-Miller. L’analisi si è focalizzata sui maggiori indicatori in termini di qualità delle prestazioni di un motore: consumo specifico di combustibile ed efficienza globale. In ultima istanza, è stato aumentato il rapporto di compressione geometrico dei cilindri come ulteriore intervento per il miglioramento delle prestazioni. I dati su cui si è basta questa analisi sono i risultati di simulazioni eseguite tramite Gasdyn, un codice di calcolo monodimensionale sviluppato presso il Dipartimento di Energia del Politecnico di Milano.