Development of an algorithm for the regulation of a 3D-CFD full engine simulation for innovative operating strategies

This thesis work aimed to develop an algorithm for controlling and regulating the 3D-CFD simulation tool for an internal combustion engine. The algorithm was built up in Python, a programming language equipped with many libraries and easily usable for data analysis. The regulator has the role in controlling the pressure at IVC (Intake Valve Closing), the pressure at IP (Ignition Point), and the λ at IP; in case one of these quantities is out of range (an interval set up by the operator), the algorithm correct one of the boundaries condition of the simulation to achieve the target values. To reach the target pressure at IVC and IP an iterative method is used, continuously shifting the intake pressure until achieving the desired value. The λ instead is calculated starting from the definition of λ and obtaining the fuel mass to inject to reach the λ target. After realizing that the discrepancy between the injected fuel and the fuel present at IP cannot always be negligible, a correction factor was introduced. Moreover, to maintain the λ stable during the change of pressure, it was decided to increase the fuel to inject by the same percentage of the boost pressure, relying on the fact that the percentage variation of the boost pressure is roughly similar to the percentage variation of the air mass in the cylinder. The controller algorithm's purpose is to make a completely autonomous simulation, reducing the operator's intervention. Before creating the algorithm, the input parameters' tuning was completely entrusted to the user, who must spend time and effort to reach the desired values. The algorithm requires the only set up of the target values without any other interference by the user. In this work of thesis, the different strategies of the regulation adopted are also explained, highlighting the algorithm's evolution during the time. All the different versions of the algorithm are validated and tested through simulations performed with the 3D-CFD tool of the institute of research at which this work was carried out.

Questo lavoro di tesi mirava a sviluppare un algoritmo per il controllo e la regolazione di un tool di simulazione 3D-CFD per un motore a combustione interna. L'algoritmo è stato costruito in Python, un linguaggio di programmazione dotato di molte librerie e facilmente utilizzabile per l'analisi dei dati. Il regolatore ha il ruolo di controllare la pressione a IVC (Intake Valve Closing), la pressione a IP (Ignition Point) e la λ a IP; nel caso in cui una di queste grandezze sia fuori range (un intervallo impostato dall'operatore), l'algoritmo corregge una delle condizioni al contorno della simulazione per raggiungere i valori target. Per raggiungere la pressione target a IVC e IP viene utilizzato un metodo iterativo, spostando continuamente la pressione di aspirazione fino a raggiungere il valore desiderato. La λ invece viene calcolata partendo dalla definizione di λ e ottenendo la massa di carburante da iniettare per raggiungere l'obiettivo λ. Dopo aver realizzato che la discrepanza tra il carburante iniettato e il carburante presente all'IP non può essere sempre trascurabile, è stato introdotto un fattore di correzione. Inoltre, per mantenere stabile la λ durante il cambio di pressione, si è deciso di aumentare il combustibile da iniettare della stessa percentuale della pressione di aspirazione, basandosi sul fatto che la variazione percentuale della pressione di aspirazione è pressappoco simile alla variazione percentuale della massa d'aria nel cilindro. Lo scopo dell'algoritmo del controller è quello di realizzare una simulazione completamente autonoma, riducendo l'intervento dell'operatore. Prima di realizzare l'algoritmo, la messa a punto dei parametri di input era completamente affidata all'utente, che doveva impiegare tempo e fatica per raggiungere i valori desiderati. L'algoritmo richiede la sola impostazione dei valori target senza altre interferenze da parte dell'utente. In questo lavoro di tesi vengono inoltre spiegate le diverse strategie di regolazione adottate, evidenziando l'evoluzione nel tempo dell'algoritmo. Tutte le diverse versioni dell'algoritmo sono validate e testate attraverso simulazioni eseguite con lo strumento 3D-CFD dell'istituto di ricerca presso il quale è stato svolto questo lavoro.