1D simulation of decompression engine brake performance on heavy duty diesel engines

This work thesis has the aim of presenting strategies to increase the braking performances of an engine, in particular on heavy-duty diesel engines, by applying the decompression engine brake technology by the modification of the exhaust valve’s lift. Finally, a further evaluation has been conducted, with modifications of components and parameters in order to analyse their influence on braking performances. The motivation of this research can be found in the intention of reducing the use of the traditional friction brakes to diminish their wear, usage and overheating, that in the worst cases can lead to brake failure and consequent accidents. This issue became more critical in case of heavy vehicles and during downhills. The simulations conducted were performed by means of the source code of GASDYN, which is a 1D numerical simulation tool developed and used at the ICE group of the Energy Department of Politecnico di Milano. Firstly, the simulations concerned the engine model validation of the FPT NEF N67 engine, then once validated, the engine brake operation was imposed. Moreover, a more complex exhaust lift provided by Streparava was applied and additional modifications to the engine scheme and setting were conducted to investigate more deeply the braking performances. The results obtained in this thesis show that an increase of braking performances with the application of Streparava lift to the exhaust valve is achieved, as it can be evinced also in the values of indicated work and indicated power. From the sensitivity analysis, instead, it became evident that it can be operated a deactivation of one of the two exhaust valves, or it can be left the wastegate valve completely closed during the engine brake operation in order to further increase the performances.

Questo lavoro di tesi ha l’obiettivo di presentare diverse strategie per migliorare le prestazioni del freno motore, in particolare per quanto riguarda i motori pesanti, applicando la tecnologia di freno motore a decompressione tramite la modifica del profilo di alzata della valvola di scarico. Infine, è stata condotta un’ulteriore valutazione modificando altri componenti e parametri col fine di analizzare la loro influenza sulle prestazioni di frenata. La motivazione di questa ricerca può essere individuata nell’intenzione di ridurre l’utilizzo dei tradizionali freni a disco per ridurre il loro consumo, usura e surriscaldamento, che nel caso peggiore possono portare alla rottura dei freni stessi e conseguenti incidenti. Il problema diviene maggiormente critico nel caso di veicoli pesanti e nelle strade scoscese. Le simulazioni condotte sono state effettuate sul codice Gasdyn, che è uno strumento di simulazione 1D, sviluppato e utilizzato nel gruppo di Motori a Combustione Interna del Dipartimento di Energia del Politecnico di Milano. Nella prima fase, le simulazioni hanno riguardato la validazione del modello del motore FPT NEF N67, una volta validato, è stato imposto il funzionamento di freno motore. Inoltre, è stato applicato alle valvole di scarico un profilo di alzata più complesso, fornito da Streparava, e sono state applicate modifiche aggiuntive allo schema e alle impostazioni del motore per analizzare più nel dettaglio le prestazioni frenanti. I risultati ottenuti in questa tesi mostrano che con l’applicazione del profilo di alzata Streparava alla valvola di scarico si ottiene un aumento delle prestazioni del freno motore, come può essere dedotto dai valori ottenuti di lavoro indicato e potenza indicata. Dall’analisi di sensitività, invece, risulta evidente che la disattivazione di una delle due valvole di scarico o la chiusura totale della valvola di wastegate possono portare un ulteriore aumento delle prestazioni durante in funzionamento di freno motore.