Analisi di prestazioni ed emissioni di un motore a combustione interna accoppiato a un veicolo ibrido

The purpose of this thesis is the evaluation of the performance, the fuel consumption and the emissions of an internal combustion engine model coupled with a serial hybrid powertrain. This study has been done through the use of three softwares: Gasdyn, OptimICE and Velodyn. Gasdyn allows the simulation of the behaviour of the internal combustion engine models achieveing a quick prevision of its main features. The contemporary use of Gasdyn and OptimICE gets the optimal values of the main engine’s features with the aim to obtain the best configuration in terms of fuel consumptions. Then, with the use of an OptimICE’s tool named OptimICE POST, the results of the simulation has been merged in the characteristic maps. Finally, Velodyn allows the provision of performances, emissions and fuel consumption from a vehicle that follows an imposed load. The coupling between the internal combustion engine and the hybrid powertrain has been done through the characteristic maps provided by OptimICE. The engine model analysed is naturally aspirated, four cylinders, sparkling ignition, with variable intake geometry internal combustion engine. It has been realised and optimized by the Energy Department of Politecnico di Milano and in this work it has been used to produce the characteristic maps. The thermal engine study has been done varying the compression ratio (CR) considering CR 10 (the original value), CR 11, CR 12 and CR 13. Then, the characteristic maps for every compression ratio taken into account have been used in Velodyn to evaluate the emissions and consumptions of the powertrain in the WLTP cycle (Worldwide harmonized Light vehicles Test Procedure). The objective of these analyses is twofold: checking the increase in performances and reduction in emissions and finding the best control logic that allows minimum fuel consumptions. The Velodyn’s control logic of a serial hybrid powertrain is split in three cases: full electric mode, engine charge mode where the internal combustion engine works at constant engine speed to charge the battery and engine assist mode where the thermal engine follows the load when the requested power to the electric motor is high. The searching for the best powertrain configuration has been made varying the value of the constant engine speed used in the engine charge low and the electric power threshold requested to the electric motor to activate and deactivate the engine assist mode. The engine speeds taken in consideration are abut 1700, 2000, 2300, 2600 and 2900 rpm. The requested powers to the electric engine in order to activate the assist mode are about 22kW (default value in Velodyn) and 24 kW, while they are about 18,5 kw and 22 kW in order to deactivate it. The above-mentioned activation and disactivation powers that differ from the default ones have been chosen in order to highlight the functioning in a constant speed or in a variable speed. The results obtained for each configuration have been confronted with tha aim to highlight the benefits of an augmented compression ratio and the aim to find the type of configuration that minimizes emissions and consumptions.

L’obiettivo di fondo sotteso alla presente tesi è la valutazione di prestazioni, consumi ed emissioni di un modello di motore a combustione interna accoppiato a un powertrain ibrido di tipo serie. Questo studio è stato possibile attraverso l’utilizzo di tre programmi: Gasdyn, OptimICE e Velodyn. Gasdyn rende possibile simulare il comportamento dei motori a combustione interna in esso modellizzati ottenendo una immediata previsione delle caratteristiche principali. OptimICE, lavorando in modo congiunto con Gasdyn, ricava i valori ottimali delle principali variabili motoristiche al fine di giungere alla configurazione piu prestazionale. I risultati delle ottimizzazioni vengono condensati successivamente nelle mappe di funzionamento attraverso l’utilizzo di un tool di OptimICE nominato OptimICE POST. Velodyn, infine, permette di prevedere prestazioni, emissioni e consumi di un veicolo al quale viene imposta una curva di carico. L’accoppiamento motore a combustione interna-powertrain viene effettuato attraverso l’utilizzo delle mappe di funzionamento generate da OptimICE. Il modello di motore preso in analisi è di tipo aspirato, quattro cilindri, ad accensione comandata e con aspirazione a condotti variabili. È stato realizzato e ottimizzato in precedenza dal Dipartimento di Energia del Politecnico di Milano e in questa tesi è stato utilizzato per produrre le mappe di funzionamento. Lo studio del motore è stato effettuato variando il rapporto di compressione (CR) e considerando i seguenti valori: CR 10 (valore originale), CR 11, CR 12 e CR 13. Le mappe di funzionamento generate al variare del rapporto di compressione sono state utilizzate in Velodyn per valutare le emissioni e i consumi del powertrain nel ciclo WLTP (Worldwide harmonized Light veichles Test Procedure). L’obiettivo delle analisi svolte attraverso Velodyn è duplice: da un lato verificare l’aumento di prestazioni e la riduzione delle emissioni al variare del rapporto di compressione e, dall’altro, trovare la miglior logica di controllo del motore a combustione che permettesse di ottenere i consumi minimi. La logica di funzionamento del motore a combustione implementata in Velodyn per un veicolo ibrido serie si divide in tre casi: funzionamento in modalità solo elettrica, funzionamento in modalità di ricarica della batteria dove il motore a combustione interna lavora a regime di giri costante e funzionamento in modalità assistita; per quest’ultima, a fronte di richieste di carico elevate, il motore a combustione lavora a regime di giri variabile in modo da seguire il carico aiutando quello elettrico. La configurazione migliore è stata ricercata sia variando il numero di giri ottimo in cui il motore termico viene utilizzato durante la fase di ricarica della batteria, sia variando le potenze richieste al motore elettrico per cui viene attivata e disattivata la modalità assistita. I regimi di giri presi in considerazione sono di 1700, 2000, 2300, 2600 e 2900 giri/min. Le potenze richieste al moore elettrico sono di 22 kW (vaore di default in Velodyn) e 24 kW per attivare la modalità assistita, mentre sono di 18,5 kW (vaore di default in Velodyn) e 22 kW per disattivarla. Le suddette potenze di attivazione e disattivazione diverse da quelle di default sono state scelte per accentuare il funzionamento a regime costante o variabile. I risultati ottenuti per ciascuna configurazione sono stati confrontati con l’obiettivo da un lato di evidenziare i benefici derivanti dall’aumento del rapporto di compressione e, dall’altro, di trovare la configurazione che presenti minori emissioni e minori consumi.