Development of a CFD framework for the design of the cooling jacket of ICEs considering transient operations

In the last decades the discussions and the legislations about the polluting emissions of internal combustion engines have become more and more influential in their development. The possibility to reduce the first thermal transient and consequently emissions by means of an effective thermal management offers a low cost solution to this primary problem. In a context of research to enhance the thermal management, models to predict the system's response are essential. The purpose of this thesis is to provide a CFD framework able to represent the behaviour of the cooling jacket of a single-cylinder engines, in order to correctly monitor specific quantities during the transient operation of a simulated WLTC, a cycle that concernes both the warm up phase and a real driving condition. Thanks to the combined use of OpenFOAM (a CFD software employed with a CHT approach) and Gasdyn (a software developed in Politecnico di Milano for unsteady flows in ICEs), alongside with a system of sub-models representing all the main components, a representation of the cooling system has been obtained. Results pointed out several things: the various conditions tested returned a positive outcome, showing a satisfying reaction of the model to the different inputs. The strong dependence of the framework on the entered information ensures a good response also to new modifications, making it reliable for the development of further tools and components. Moreover also the joined use of the current model with other ones (like a CFD model of the combustion chamber, a model for the emission prediction etc.) is viable to build a system model including multiple aspects of the vehicle.

Negli ultimi decenni, le discussioni e le regolamentazioni riguardanti le emissioni dei motori a combustione interna hanno acquisito sempre maggiore influenza sulla loro produzione. La riduzione del warm up iniziale (e di conseguenza anche delle emissioni) grazie a una gestione efficace del sistema di raffreddamento offre una soluzione economica a questo problema cardine. In un ambiente di ricerca volta a migliorare la gestione termica, i modelli che si occupano di predire il comportamento dei sistemi analizzati sono indispensabili. Lo scopo di questa tesi è quello di fornire una struttura incentrata sul CFD in grado di rappresentare le principali caratteristiche della camicia di raffreddamento di un MCI monocilindrico, in modo da controllare correttamente le grandezze d'interesse durante un ciclo WLTC. Grazie all'utilizzo congiunto di OpenFOAM (un software per le simulazioni CFD utilizzato con un approccio CHT) e Gasdyn (il software sviluppato dal Politecnico di Milano per flussi non stazionari nei motori a combustione interna), in combinazione con sotto-modelli sviluppati per simulare i principali componenti del sistema di raffreddamento, è stato possibile ottenere una rappresentazione di tale sistema. I risultati conducono a diverse considerazioni: le varie condizioni operative testate hanno restituito esiti positivi, mostrando una reazione soddisfacente del modello ai diversi input. La dipendenza marcata tra i risultati delle simulazioni e i dati forniti in ingresso consentono di assumere una buona risposta anche a modifiche prossime, rendendo il modello attendibile per lo sviluppo di nuovi componenti. Inoltre è possibile anche sfruttare il modello presentato in combinazione con altri modelli (come ad esempio quelli implementati per la simulazione delle camere di combustione, quelli sfruttati per predire le emissioni ecc.), in modo da costruire un sistema che riproduca aspetti multipli del veicolo.