1D fluid dynamic modeling of a turbocharged IC engine : treatment of maps and cyclic matching

This thesis deals with the validation of a spark-ignition, turbocharged and three-cylinder engine model. The working fluid behaviour has been investigated through the formulation of a mono-dimensional approach, whose implementation is carried out by Gasdyn. Gasdyn is a 1-D thermo-fluid dynamic software which, in conformity with the aim of the thesis, has been used to quickly handle the engine input parameters, that would be successively read by the modules written in Fortran code to run different simulations. A detailed analysis of the Turbine and Compressor routines has then clarified which passages might have been enhanced, to get outputs that better outline the thermodynamic behaviour of the model in the critical regions of the maps. Innovative procedures that can correctly estimate the boundary conditions, and therefore the thermodynamic quantities, have been proposed and successively implemented. Once assessed the effectiveness of the changes introduced, the updated modules have been committed. The work continues with the study of the module concerning the mechanical coupling of the components on the turbocharger shaft: the ‘turbo-matching’. The idea is to elaborate a procedure based on a cyclic turbo-matching, to complement the original instantaneous matching approach. The results obtained are then compared with the original model, highlighting a reduction of the computational times and a similar trend of the convergence curves.

Questa tesi riguarda la validazione di un motore ad accensione comandata, turbocompresso a tre cilindri. L’andamento del flusso di lavoro è stato studiato attraverso la formulazione di un modello monodimensionale, la cui implementazione viene eseguita da Gasdyn. Gasdyn è un software termo-fluido dinamico 1-D che, in conformità con l’obiettivo della tesi, è stato utilizzato per gestire agilmente i parametri in ingresso del motore, i quali verranno successivamente letti dai codici scritti in linguaggio Fortran per avviare le simulazioni. Le routines Turbine e Compressor vengono analizzate approfonditamente, in modo che possano essere evidenziati i passaggi potenzialmente migliorabili e così, di conseguenza, si possa elaborare un’impostazione che delinei in modo più appropriato il comportamento termodinamico del modello all’interno delle regioni critiche. Sono state perciò proposte, e successivamente implementate, delle procedure innovative che possano stimare correttamente le condizioni al contorno e le quantità termodinamiche che ne derivano. Una volta certificata l’efficacia dei cambiamenti introdotti, i modelli aggiornati verranno poi validati. Il lavoro prosegue con lo studio del modulo riguardante l’accoppiamento meccanico delle componenti del turbocompressore: il ‘turbo-matching’. L’idea è quella di sviluppare una procedura basata su un matching ciclico, da affiancare al precedente approccio con matching istantaneo. I risultati ottenuti sono poi messi a confronto con il modello originale, evidenziando una riduzione dei tempi di computazione e un andamento delle curve di convergenza pressoché identico.