Applicazione di codici di simulazione per l'analisi di consumi ed emissioni di veicoli per il trasporto pesante

This thesis work aims to recreate the operation of a heavy-duty vehicle (HDV) with the help of different simulation software, starting from the torque developed by the engine up to the analysis of consumption and emissions of pollutants in the exhaust gas after-treatment system. Firstly, the main strategies of the European Union about emissions and consumption in the automotive sector, for the protection of the environment and for the improvement of air quality in cities, were illustrated, focusing on how heavy-duty vehicles are regulated by these laws and how measurements for pollutant emissions certifications are carried out. Subsequently, the main simulation software used within this work were described, explaining the mathematical models underlying their functionalities of interest. It was firstly described GASDYN, a one-dimensional simulation tool for internal combustion engines; then the focus shifted to VECTO, useful for checking consumption and CO2 emissions of heavy vehicles; finally, AXISUITE was described: it is a simulation software for the abatement system of pollutants leaving the internal combustion engine. Thanks to GASDYN, the torque and the consumption maps of the analyzed engine were created and entered within VECTO, along with other parameters relating to the type of vehicle to be simulated. The simulation with VECTO was set up for three different driving profiles; the first results were shown, and the first comparisons were made between consumption and average CO2 emissions. In addition, some operational parameters were changed, and it was investigated how and how much they influence the results obtained from the simulations. Then GASDYN was used to simulate the transient behaviour of the engine, when subjected to one of the previously analysed driving profiles. In this way, data on mass flow rate, temperature and concentrations of polluting species leaving the engine were collected as a function of time (during the driving profile). Subsequently, we moved on to the description of the system used in AXISUITE for the abatement of the concentrations of pollutants in the exhaust gases coming out of the engine. The average abatement efficiencies for each species were therefore calculated and it was checked if the concentrations of pollutants and CO2 leaving the system fall within the parameters established by legislation.

Questo lavoro di tesi ha l’obiettivo di ricreare il funzionamento di un veicolo pesante per il trasporto stradale (HDV, Heavy Duty Veichle) con l’aiuto di diversi software di simulazione, a partire dalla coppia sviluppata dal motore fino ad arrivare alle analisi di consumi ed emissioni di sostanze inquinanti in uscita dal sistema di post-trattamento dei gas di scarico. Nell’introduzione sono state illustrate le principali strategie dell’Unione Europea per la salvaguardia dell’ambiente e per il miglioramento della qualità dell’aria nelle città, per quanto riguarda emissioni e consumi del settore automobilistico; ci si è concentrati, in particolar modo, su come i veicoli pesanti vengano regolati da queste legislazioni e in che modo vengano effettuate le misurazioni per le certificazioni sulle emissioni degli inquinanti. In seguito, sono stati illustrati i principali software di simulazione utilizzati all’interno di questo lavoro, descrivendo i modelli matematici alla base delle loro funzionalità di interesse. Si è partiti dalla descrizione di GASDYN, strumento di simulazione monodimensionale dei motori a combustione interna; si è passati poi a VECTO, utile per verificare consumi ed emissioni di CO2 dei veicoli pesanti; è stato descritto, infine, AXISUITE, software di simulazione del sistema di abbattimento degli inquinanti presenti nei gas di scarico del motore. Attraverso l’utilizzo di GASDYN sono state create le mappe di coppia e consumi del motore analizzato e sono state inserite all’interno di VECTO, insieme ad altri parametri riguardanti la tipologia di veicolo da simulare. La simulazione con VECTO è stata impostata per tre diversi profili di guida; si sono mostrati i primi risultati e sono stati fatti i primi confronti fra i consumi e le emissioni medie di CO2. Sono stati, inoltre, variati alcuni parametri operativi e si è indagato su come e quanto essi influenzino i risultati ottenuti dalle simulazioni. Si è poi fatto ritorno in GASDYN per simulare il comportamento in transitorio del motore quando sottoposto a uno dei profili di guida precedentemente analizzati. Si sono così raccolti i dati su portata, temperatura e concentrazioni di specie inquinanti in uscita dal motore in funzione del tempo (durante il profilo di guida). Successivamente si è passati alla descrizione del sistema utilizzato in AXISUITE per l’abbattimento delle concentrazioni di inquinanti presenti all’interno dei gas di scarico in uscita dal motore. Sono stati, dunque, fatti alcuni commenti riguardo ai risultati ottenuti e sono state calcolate le efficienze medie di abbattimento per ciascuna specie. Si è verificato, infine, che le concentrazioni di anidride carbonica e di inquinanti in uscita dal sistema rientrino nei parametri stabiliti dalla legislazione.