1D modelling of engine thermal state during cold start driving cycles

Current global scenario is facing against the global warming and air pollution problem, which, in internal combustion engines, is correlated with the reduction of exhaust emissions. To face this situation, the research and development of powertrains demand new computational tools capable of simulating vehicle operation under very different conditions. Indeed, new cars can be put on the market only if they pass the new and stricter homologation standards, which evaluate the exhaust emissions under any possible driving condition on the road. Simulation models provide many advantages to the development of new technologies, since they permit to engineers to simulate the entire engine, taking into account all the physical process involving different components of the system. This thesis is a contribution to the development of a software, called Gasdyn, created by Politecnico di Milano, able to provide a 0D/1D simulation of the overall processes occurring in an internal combustion engine. More precisely, this work deal with heat transfer phenomena present inside the engine block and in the ancillary system. The former are studied exploiting the lumped parameter approach, thanks to the utilization of subroutines capable to divide the engine block into several smaller nodes, while, for the latter, sub models capable to study each component of the cooling circuit are implemented in the code. With the referred thermal models, integrated with the global simulation tool, a simulation of the Worldwide Harmonized Light Vehicles Procedure is performed for a three-cylinder gasoline engine, taking into account the effect of cold start and different ambient temperature in the vehicle’s pollutant emissions.

Al giorno d’oggi lo scenario mondiale si trova a dover affrontare il problema del riscaldamento globale e dell'inquinamento atmosferico, collegato alla riduzione delle emissioni allo scarico nei motori a combustione interna. Per far fronte a questa situazione, la ricerca e lo sviluppo di nuovi propulsori richiedono nuovi strumenti di calcolo in grado di simulare il funzionamento del veicolo in diverse condizioni atmosferiche. Difatti, le nuove auto possono essere introdotte sul mercato solo se superano i nuovi e più rigorosi standard di omologazione, che valutano le emissioni di gas di scarico in tutte le possibili situazioni di guida su strada. I modelli di simulazione offrono molti vantaggi nello sviluppo di nuove tecnologie, poiché consentono agli ingegneri di simulare l'intero motore, tenendo conto di tutti i processi fisici coinvolti nei diversi componenti del sistema. Questa tesi è un contributo allo sviluppo di un software, chiamato Gasdyn, creato dal Politecnico di Milano, in grado di effettuare una simulazione 0D/1D dei processi che si verificano in un motore a combustione interna. Più precisamente, questo lavoro tratta i fenomeni di scambio termico presenti all'interno del blocco motore e nel sistema di raffreddamento. I primi sono studiati sfruttando l'approccio a parametri concentrati, grazie all'utilizzo di subroutine in grado di dividere il blocco motore in diversi piccoli nodi, mentre, per il sistema ausiliario, sono implementati nel codice modelli secondari in grado di studiare ogni componente del circuito di raffreddamento. Con i modelli di scambio termico implementati e integrati con il software globale, verrà eseguita una simulazione del test WLTP (Worldwide Harmonized Light Vehicles Procedure) su un motore tre cilindri a benzina, studiando le sue emissioni, tenendo conto dell'effetto dell'avviamento a freddo e della diversa temperatura ambiente.