0D-1D thermo-fluid dynamic modelling of cylinder scavenging process in a four stroke IC engine

The aim of this thesis is to investigate the cylinder scavenging process in internal combustion SI engines, in order to predict unburned HC emissions. The original model implemented in Gasdyn, a software developed by the Energy Department of Politecnico di Milano, considers a single zone geometry for the cylinder, where perfect mixing of fresh charge with residuals happens. The new implemented model for scavenging, instead, is based on a four zones geometry. By tracking the mass fluxes among these regions, an improvement in the gas exchange process description is achieved: both mixing and short circuit phenomena are captured; furthermore, their magnitude is investigated as function of the cylinder turbulence intensity. The results of the sensitivity analysis, performed on two simple engine architectures, as well as the experimental model validation, carried out on the Lamborghini V10 engine, allow to properly tune the calibration coefficients for mixing and short circuit. The scavenging model improves the predictivity of HC emissions with respect to the original one, by keeping the same reliability in the analysis of performance parameters, such as volumetric efficiency and brake torque.

Lo scopo di questo elaborato di tesi è l'analisi del processo di lavaggio del cilindro in motori a combustione interna ad accensione comandata, in modo tale da tracciare opportunamente le emissioni di idrocarburi incombusti. Il modello originale implementato in Gasdyn, un software sviluppato dal Dipartimento di Energia del Politecnico di Milano, considera un modello monozona per il cilindro, in cui si verifica un perfetto miscelamento tra carica fresca e residui di combustione. Il nuovo modello di lavaggio è invece basato su un approccio multizona. L'analisi dei flussi di massa tra le quattro zone garantisce un miglioramento nella descrizione della gasdinamica durante il riempimento del cilindro: in questo modo è possibile rappresentare sia il miscelamento, sia il corto circuito della carica fresca. Inoltre, l'impatto di questi due fenomeni è quantificabile mediante un'analisi parametrica in funzione dell'intensità di turbolenza. I risultati dell'analisi di sensitività, attuata su due architetture di motore semplici, insieme alla validazione sperimentale del modello, effettuata sul motore Lamborghini V10, consentono di calibrare i coefficienti di miscelamento e corto circuito. La predittività delle emissioni di HC nei condotti di scarico migliora mediante l'utilizzo del nuovo modello di lavaggio, se paragonata con il modello originale; nonostante ciò, si mantiene la stessa affidabilità nell'analisi delle performance motoristiche, quali coefficiente di riempimento e coppia.