1D fluid dynamic modeling of a Comprex pressure wave supercharger for IC Engines

Today, one-dimensional computational codes are ubiquitous in the automotive industry: these codes are able to simulate the behaviour and to predict the performance of complete internal combustion engines, including supercharged ones, which is most often the case in times of pollutant emissions reduction and engines downsizing. Almost universally, the device adopted to achieve engine superchaging is the turbocharger; while such device is capable of increasing the combustion air pressure efficiently, making use of the enthalpy carried by the hot, combusted exhaust gas, it suffers from a couple of drawbacks: firstly, its boost capability is low at low engine speeds, and secondly, the response of the engine to sudden load increments is delayed, i.e. the phenomenon of turbo-lag which hinders vehicles driveability. Other supercharging devices have been conceived over the years: the aim of this work has been to implement a model of the pressure wave supercharger Comprex in the 1D thermo-fluid-dynamic code Gasdyn, developed by the ICE Group of Politecnico di Milano. This supercharger retains the turbocharger capability of efficiently extracting mechanical power from the exhaust gas to drive the supercharging process, unlike outdated mechanically-driven positive displacement compressors; at the same time, the different principle of operation based on direct air-exhaust contact allows to increase boost capability at low engine speeds and to avoid turbo-lag. The resulting model proves this device potential, and has been validated using the available data: these derive from a Fiat Powertrain Technologies natural gas-powered engine, supercharged through an Antrova AG Comprex.

Attualmente, i codici computazionali monodimensionali sono onnipresenti nell’industria automotive: tali codici sono capaci di simulare il comportamento e di prevedere le performance di motori a combustione interna completi, compresi quelli sovralimentati, molto diffusi nel contesto della riduzione delle emissioni inquinanti e del downsizing motoristico. La macchina che è adottata quasi universalmente per sovralimentare i motori è il turbocompressore; pur essendo capace di comprimere l’aria di combustione in modo efficiente, facendo uso dell’entalpia contenuta nel flusso di gas combusti caldi, esso soffre di un paio di difetti: innanzi tutto, la sua capacità di creare boost è ridotta a bassi giri motore, ed inoltre esso causa un certo ritardo nella risposta ai repentini aumenti di carico, in altre parole il fenomeno del turbo-lag che peggiora la guidabilità del veicolo. Altri dispositivi di sovralimentazione sono stati concepiti nel corso degli anni: l’obiettivo di questo lavoro è stato quello di implementare un modello di Comprex, sovralimentatore ad onde di pressione, nel codice termofluidodinamico 1D Gasdyn, sviluppato dal gruppo ICE del Politecnico di Milano. Tale macchina condivide col turbocompressore la capacità di sfruttare in maniera efficiente i gas esausti per comprimere l’aria in ingresso, a differenza degli ormai obsoleti compressori volumetrici; al tempo stesso, il diverso principio di funzionamento basato sul contatto diretto aria-gas combusti permettere di migliorare il boost a bassi giri motore e di evitare il turbo-lag. Il modello risultante dimostra le potenzialità di questo dispositivo, ed è stato validato utilizzando i dati disponibili: questi derivano da un motore di Fiat Powertrain Technology a gas naturale, sovralimentato attraverso un Comprex di Antrova AG.