Map-based and transient simulation of a turbocharged engine with tailpipe emissions prediction

This master thesis project describes the modelling of a turbocharged spark-ignition engine fuelled by compressed natural gas (CNG) employing GasDyn software, a 1-dimensional Computational Fluid Dynamics (CFD) analysis tool for internal combustion engines. The aforementioned engine is a modified version for laboratory analysis purposes of the CNG-fuelled version of F1C engine, produced by FPT Industrial and commonly employed to power the Iveco Daily, a light commercial vehicle (LCV). The main purpose is to simulate driving cycles with this turbocharged engine using a static map-based approach and to compare the results with those obtained from fully transient simulations. Then, an analysis of the tailpipe emissions, obtained from the transient simulation employing an aftertreatment model, will be performed. The process to obtain the static maps is possible thanks to a MATLAB code, able to receive as input a set of in-cylinder pressure signals and give as result the burned mass fraction curve as a function of crank angle degrees for whichever operating point in the engine map, expressed through parameters. These parameters can be used by GasDyn to generate static maps regarding fuel consumption and pollutant emissions. A vehicle simulation software, IAV Velodyn, will use these maps to simulate some driving cycles, providing the final results about this map-based approach. The same software will be also employed also to present and analyse a possible hybrid solution for the Iveco Daily, after having described and sized the main new necessary components. GasDyn will employ the results obtained by the map-based simulation carried out with Velodyn in terms of engine operating conditions to simulate the driving cycles with a transient approach. Finally, the aftertreatment modelling software Axisuite will be employed to permit the usage of the aforementioned transient model for the analysis of the tailpipe emissions.

Questo progetto di tesi di laurea magistrale presenta la modellazione di un motore a gas naturale compresso ad accensione comandata sovralimentato per mezzo di GasDyn, uno strumento di analisi fluidodinamica computazionale (CFD) monodimensionale per motori a combustione interna. Tale motore è una versione modificata per analisi in laboratorio della versione alimentata a gas naturale del propulsore F1C, prodotto da FPT (Fiat PowerTrains) Industrial, comunemente utilizzato sui veicoli commerciali leggeri Iveco Daily. Lo scopo principale è simulare dei cicli di guida nel caso di un motore sovralimentato con un approccio che prevede l’utilizzo di mappe stazionarie e confrontare i risultati ottenuti con quelli derivanti da simulazioni in transitorio. Dopodiché, verrà condotta un’analisi sui risultati riguardanti le emissioni di inquinanti dal tubo di scarico, ottenuti dalla simulazione in transitorio utilizzando un apposito modello di catalizzatore. Oltre a ciò, questo progetto intende anche presentare una proposta di ibridizzazione dell’Iveco Daily focalizzata sull’aumento dell’efficienza a carico parziale e che quindi consenta di migliorare i consumi specialmente in aree urbane (essendo tale furgone prevalentemente usato per le consegne a domicilio). La procedura prevede l’utilizzo di un codice MATLAB, in grado di importare una serie di segnali di pressione interna al cilindro misurati sperimentalmente e restituire la frazione di massa bruciata in funzione dei gradi di angolo di manovella in qualsivoglia punto della mappa motore, espressa tramite una serie di parametri. Tali parametri saranno usati da GasDyn per generare delle mappe stazionarie riguardanti il consumo di combustibile e le emissioni di inquinanti. Queste mappe verranno inserite in un software di simulazione veicolo, IAV Velodyn, che, simulando diversi cicli guida, fornirà i risultati finali per quanto riguarda questo approccio basato su mappe stazionarie. Sempre Velodyn sarà anche impiegato per analizzare i possibili vantaggi derivanti dall’ibridizzazione dell’Iveco Daily, dopo aver descritto e dimensionato le principali nuove componenti necessarie per l’operazione. GasDyn utilizzerà i risultati in termini di punti operativi ottenuti dalla simulazione con mappe stazionarie di Velodyn per simulare cicli guida a sua volta, con l’approccio in transitorio. Infine, il software per la modellazione di sistemi di post-trattamento delle emissioni Axisuite verrà impiegato per permettere l’utilizzo del sopracitato modello in transitorio di GasDyn per lo studio delle emissioni di inquinanti in atmosfera.