1D thermo-fluid dynamic modelling of IC engines and system integration on electrified vehicles

In this Ph.D. thesis, the development and application of advanced predictive 1D/0D methodologies to simulate Real Driving Emission (RDE) cycles are described. The goal is to obtain an integrated co-simulation model of a modern Plug-in Hybrid Vehicle (PHEV). In the first chapter, a general introduction to the Internal Combustion Engine (ICE) simulation topic is presented. With chapter 2 the mathematical model of an ICE is described together with the innovative numerical method used to speed up the simulation time in this work. Then in chapter 3 the two real engine test cases investigated are presented and their respective 1D models are obtained. In chapter 4 the steady state validation against experimental data of the two 1D models is carried out and in chapter 5 the same is achieved for the Fast Simulation Method (FSM) models. With chapter 6 the focus shifts towards the prediction of performance and emissions during real-world driving cycles, with a comparison with respect to measured cycles. In chapter 7 it is introduced the coupling methodology developed to allow the co-simulation of the 1D engine model with external sub-models. With chapters 7 and 8 the integrated simulation framework achieved is exploited to simulate a complete Plug-in Hybrid Electric Vehicle performing a general driving cycle. This work is strongly coupled with the activities of the European project “VISION-xEV”, which aimed at the development of an integrated co-simulation framework for the prediction of performance and emissions of a modern hybrid vehicle.

In questo dottorato di ricerca tesi, vengono descritti lo sviluppo e l'applicazione di metodologie predittive avanzate 1D/0D per simulare i cicli di emissioni di guida reali (RDE). L'obiettivo è ottenere un modello integrato di co-simulazione di un moderno veicolo ibrido plug-in (PHEV). Nel primo capitolo viene presentata un'introduzione generale all'argomento della simulazione del motore a combustione interna (ICE). Con il capitolo 2 viene descritto il modello matematico di un ICE insieme all'innovativo metodo numerico utilizzato per velocizzare i tempi di simulazione di questo lavoro. Quindi nel capitolo 3 vengono presentati i due casi di test di motori reali esaminati e vengono ottenuti i rispettivi modelli 1D. Nel capitolo 4 viene eseguita la validazione dello stato stazionario rispetto ai dati sperimentali dei due modelli 1D e nel capitolo 5 lo stesso viene ottenuto per i modelli Fast Simulation Method (FSM). Con il capitolo 6 l'attenzione si sposta verso la previsione delle prestazioni e delle emissioni durante i cicli di guida del mondo reale, con un confronto rispetto ai cicli misurati. Nel capitolo 7 viene presentata la metodologia di accoppiamento sviluppata per consentire la co-simulazione del modello 1D del motore con sottomodelli esterni. Con i capitoli 7 e 8 il framework di simulazione integrato ottenuto viene sfruttato per simulare un veicolo elettrico ibrido plug-in completo che esegue un ciclo di guida generale. Questo lavoro è fortemente associato alle attività del progetto europeo "VISION-xEV", che mirava allo sviluppo di un framework di co-simulazione integrato per la previsione delle prestazioni e delle emissioni di un moderno veicolo ibrido.