1D lumped capacity modelling of the engine thermal state during cold start

Nowadays, in order to predict the behaviour of internal combustion engines during cold start, phase known to be inefficient in terms of emissions and fuel consumption, computer simulations play a crucial role. During the past twenty years, a one-dimensional numerical simulation software, called Gasdyn was developed at Politecnico di Milano to manage each operating condition. The lack of a tool inside it to describe engine temperature evolution during a thermal transient is the reason of this thesis. Different works have been taken as references for the development of a lumped capacity model able to estimate the temperature of each metallic portion. At first, a three-node lumped model was implemented, taking as reference a thermal resistor network for steady state conditions developed at the University of Valencia. Subsequently, increasing the number of nodes to improve discretization resolution and comply with accuracy constraints, a new fifteen-node model was accomplished. Both models are equipped with a simplified hydraulic system model and simulations can be performed adopting mass reduction coefficients to decrease calculation time without losing precision. Simulations of a 4-stroke aspirated SI engine at full load and constant engine speed are reported, starting the transient from a temperature of 298 K: results give a good prediction of temperature profiles, but some aspects require future improvements and experimental calibration and validation.

L’avviamento a freddo di un motore a combustione interna è un processo inefficiente in termini di emissioni e consumo di carburante; software basati su metodi numerici rivestono un ruolo cruciale per poter predire il comportamento di un motore in questa fase. Negli ultimi vent’anni, presso il Politecnico di Milano è stato sviluppato Gasdyn, un software di simulazione monodimensionale dei processi dinamici all’interno di un motore, allo scopo di descrivere ogni condizione operativa. Tuttavia, essendo sprovvisto di uno strumento per predire le temperature delle pareti interne durante un transitorio termico, è sorta la necessita del lavoro presentato in questa tesi. A tale scopo, molte ricerche sono state studiate e prese come riferimento per lo sviluppo di un modello a parametri concentrati. Inizialmente è stato implementato un modello a tre nodi, prendendo come riferimento una rete nodale resistiva per simulazioni in stato stazionario, sviluppata presso l’università di Valencia. Successivamente, un nuovo modello a quindici nodi è stato implementato per migliorare la risoluzione associata alla discretizzazione e per soddisfare vincoli teorici di accuratezza. Entrambi i modelli sono dotati di un circuito idraulico semplificato ed è possibile effettuare simulazioni con tempi computazionali inferiori, mediante l’uso di un coefficiente riduttivo agente sulle masse. Inoltre, sono presentati i risultati di simulazioni di transitori termici, svolti su un motore benzina, quattro tempi, aspirato, mantenuto a pieno carico e a velocità di regime constante. È stata riscontrata una buona stima degli andamenti dei profili di temperatura, ma alcuni aspetti richiedono sviluppi futuri, nonché una calibrazione e validazione sperimentale.