Numerical optimization of naturally aspirated spark ignition engines operating with Atkinson cycle

Nowadays the demand for fuel saving and environmental protection is imposing a huge challenge on conventional Internal Combustion Engines design. Most car manufacturers are today facing this challenge, developing downsized turbocharged gasoline engines, however, an alternative exists: over-expansion cycle engines. The present thesis deals with this kind of engines and in particular with the application of Variable Valve Actuation strategies employed for their implementation. More in detail, VVA strategies are firstly implemented in the optimization program OptimICE; subsequently, a four cylinder 1.4 liter naturally aspirated gasoline engine, modelled with the 1D CFD code Gasdyn, is used as baseline engine for investigating the feasibility of the Otto-Atkinson conversion. Results show as the Early Intake Valve Closing and the Late Intake Valve Closing strategies are the most suitable for the aforementioned conversion. In particular the former shows the ability of reducing the fuel consumption of the engine up to about 10% and the average pumping power loss of about 15%. The EIVC strategy, thanks to the reduced peak in-cylinder temperature, is also capable to strongly reduce the engine emissions: the NOx emission is brought down of 27.5%, on average, with reduction peaks up to almost 75%. The LIVC strategy, instead, shows a maximum fuel consumption reduction similar to that of the EIVC strategy but a lower reduction of pollutant emissions; anyway it is still considered a valid strategy for operating the engine in Atkinson-like mode.

Le sempre più stringenti norme sull'inquinamento e la necessità di ridurre i consumi di combustibile costituiscono una delle maggiori sfide per la progettazione dei Motori a Combustione Interna. I principali costruttori si focalizzano quindi sullo sviluppo di piccole unità sovralimentate, le quali costituiscono il trend attuale per la motorizzazione dei veicoli per trasporto passeggeri. L'alternativa al sottodimensionamento dei motori è il right-sizing, che costituisce anche la base per lo sviluppo di motori di tipo Atkinson. Il presente lavoro di tesi si occupa dello studio di questa categoria di motori e, in particolare, della loro implementazione tramite l'impiego di strategie di azionamento variabile delle valvole (VVA). Più in dettaglio le strategie VVA verranno prima implementate nel programma di ottimizzazione per Motori a Combustione Interna OptimICE, quindi, accoppiando tale programma al simulatore fluidodinamico 1D Gasdyn, sarà possibile analizzare gli effetti della conversione Otto-Atkinson di un motore aspirato quattro cilindri a benzina di 1.4 litri di cilindrata. I risulatti mostrano come le più promettenti strategie di azionamento variabile delle valvole per la suddetta conversione siano la strategia Early Intake Valve Closing e la strategia Late Intake Valve Closing. In particolare la prima si mostra capace di una riduzione del consumo del motore fino a circa il 10% nonché di una riduzione media della potenza persa per pompaggio di circa il 15%. La strategia EIVC è inoltre capace di abbattere le temperature massime raggiunte durante la fase di combustione, con una conseguente riduzione media dell'emissione di ossidi di azoto (NOx) del 27.5%. La strategia LIVC, invece, mostra un'abilità di riduzione massima dei consumi in linea con quella della strategia EIVC, ma una più limitata riduzione degli inquinanti; viene comunque considerata come una valida alternativa alla strategia precedente per la conversione Otto-Atkinson del motore analizzato.