CFD-based performance analysis of an I.C.E. for the motostudent international competition

The Motostudent competition is an international contest which involves teams from universities all around the world. The Organization supplies the engine and the challenge consists in designing and manufacturing a racing motorcycle prototype. In the “Petrol” category, the internal combustion engine is sealed and then no modifications are allowed. Only the intake and exhaust systems can be designed. For these reasons, fluid-dynamic analyses, focusing on the engine system performance, have been carried out. For this purpose, one-dimensional codes have been used to simulate the engine at full load and to understand the possible strategies of performance improvement. This type of schematization guarantees both good accuracy and low computational time. Different solutions have been investigated, from twin exhaust system to different solutions of airbox. However, 1D simulation tools show some limitations when applied to the modelling of complex geometrical systems (i.e. airbox), where non-planar wave effects appear. For this reason a detailed characterization and comparision among different geometries of the intake system have been carried out, exploiting 1D-3D coupled simulations. Therefore, the aim of the thesis work will be the understanding the influence of 3D geometry on the engine performance, focusing on the intake system. First step was the definition of the engine 1D model, calibrated on the basis of experimental performance curves. Then, coupled 1D-3D simulations were carried out in order to better capture the wave motion in the intake system and to compare the performance of different layouts of the airbox.

La competizione Motostudent è un concorso internazionale che coinvolge squadre provenienti da università di tutto il mondo. L’Organizzazione fornisce il motore e la sfida consiste nella progettazione e produzione di un prototipo di moto da corsa. Nella categoria "Petrol" il motore a combustione interna è sigillato e quindi non sono ammesse modifiche: solo i sistemi di aspirazione e di scarico possono essere modificati. Per questo motivo, sono state condotte analisi fluidodinamiche, finalizzate a massimizzare le prestazioni del motore. A questo scopo, sono stati utilizzati codici unidimensionali per simulare il motore a pieno carico e per comprendere le possibili strategie di miglioramento delle prestazioni. Questo tipo di schematizzazione garantisce sia una buona precisione che un basso tempo di calcolo. Sono state studiate diverse soluzioni, da a un sistema di scarico con doppia uscita a diverse soluzioni di airbox. Tuttavia, gli strumenti di simulazione 1D mostrano alcuni limiti quando vengono applicati alla modellazione di sistemi geometrici complessi (es. airbox), dove compaiono effetti d'onda non planari. Per questo motivo è stata effettuata una dettagliata caratterizzazione e comparazione tra le diverse geometrie di aspirazione, sfruttando simulazioni accoppiate 1D-3D. L’obiettivo della tesi sarà quindi quello di comprendere l’influenza della geometria 3D sulle prestazioni del motore, focalizzando l'attenzione sul sistema di aspirazione. La prima tappa è stata la definizione del modello 1D del motore, tarato sulla base di curve di prestazione sperimentali. Successivamente, sono state effettuate simulazioni accoppiate 1D-3D per meglio descrivere il movimento dell’onda nel sistema di aspirazione e confrontare le prestazioni di diversi layout.